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由MOSFET構成的芯片邏輯門的最基本單元CMOS介紹

中科院半導體所 ? 來源:半導體與物理 ? 2024-11-22 13:32 ? 次閱讀

介紹了芯片最基本的單元——MOSFET,和由MOSFET構成的芯片邏輯門的最基本單元——CMOS。

MOSFET

芯片最底層的原理二進制運算,所以我們要用最基本的電子元件來模擬1和0,通電為1,不通電為0。 接下來我們就介紹一下可以達成這樣目的的元件。

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我們在半導體硅里進行兩種摻雜,如上圖上兩個小u型槽里進行N型摻雜,其他的地方進行P型摻雜,這樣N型摻雜與P型摻雜的界面會形成耗盡層。

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上圖中,上下電路為電路一,左右連接N極的為電路二。 由于沒有打開電路一,電路二由于耗盡層的影響兩個N極不能連通。所以上面的小燈泡是亮不了的。這就是二進制里的0的情況。

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但是現在我們打開電路一,這時電子會往正極偏轉,就把原本的耗盡層往下移,于是兩個N極就接通了,這時電路二就通了。就這樣我們就可以通過偏轉電路的開關來控制主路的通電和斷電。這也就是二進制里的1。

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這就是MOSFET,上圖所示為各個極的名稱:源極、柵極、漏極。同時我們可以把摻雜反過來得到PMOS。

CMOS

前面是晶體管的介紹,我們繼續來講CMOS的構造與非門也就是邏輯門的最基礎的部分。

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如上圖把PMOS的源極與NMOS的漏極相連接我們就得到了一個COMS,我們再來看COMS是如何工作的?

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如上圖我們把PMOS的漏極接上高電壓,同時把NMOS的源極接上低電壓,當我們在他們的柵極A加正向偏壓,這時只有NMOS是導通的,所以B電極就與低電壓相通了。

當我們輸入的是正向偏壓時,我們就得到了低電壓,我們可以設定高電壓為1、低電壓為0這樣就是輸入的是1得到的結果是0。

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反之我們輸入反向偏壓也就是低電壓,B就連通了高電壓,也就是輸入是0輸出是1。于是我們就這樣得到了一個非門,是最基礎的邏輯門單元。

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其實芯片的底層就是一個個開關組成的,也就是大量的晶體管,光刻其實就是在硅片上刻出一個個晶體管。

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源極、柵極、漏極組成MOSFET開關

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MOSFET制造圖:源極、柵極、漏極 各種晶體管組成邏輯門:

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邏輯門組成運算器:

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最后組成只有一個指甲大小的芯片:

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原文標題:由MOSFET構成的芯片邏輯門的最基本單元CMOS

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