摘要：CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 即互补型金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的技术。CMOS 不是半导体器件的名称，它仅仅是指将 PMOS 和 NMOS 组合在一起的电路。这两种类型

1. 什么是CMOS?

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 即互补型金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的技术。CMOS 不是半导体器件的名称，它仅仅是指将 PMOS 和 NMOS 组合在一起的电路。这两种类型的场效应管在电路中互补工作，形成逻辑门电路等数字电路的基本单元。

CMOS 的电路方式具有省电且能够高速运行的特点，因此成为了现代半导体器件的基本结构。

2. CMOS 的电路结构

以最基本的 “反相器电路” 为例来说明 CMOS 的结构。反相器电路是一种输入为 0 时输出为 1，输入为 1 时输出为 0 的电路。

电路的基本结构如下：

a. NMOS 和 PMOS 的栅极共接，作为输入（Vin）使用。

b. NMOS 和 PMOS 的漏极共接，作为输出（Vout）使用。

c. NMOS 的源极接地。

d. PMOS 的源极与接电源（VDD）。

虽然是 NMOS 和 PMOS 组合而成的简单结构，但它作为反相器电路在电路设计中发挥重要作用，即输入 Vin = 1 时，输出 Vout = 0；输入 Vin = 0 时，输出 Vout = 1。

3. CMOS工作原理

PMOS：其源极和漏极掺杂有 P 型材料， 当在栅极上施加负电压时，会在栅极下方形成一个反型通道，允许电流从源极流向漏极。

NMOS：源极和漏极掺杂有 N 型材料，当在栅极上施加正电压时，会在栅极下方形成一个反型通道，从而允许电流从漏极流向源极。

例如，电源电压 (VDD) 代表高电平 "1" ，接地 (GND) 代表低电平 "0".

当 Vin = Low(0) 时：

PMOS 导通（ON），NMOS 截止（OFF）。Vout 通过 PMOS 与 VDD 连接，输出 Vout 为 High(1)。

当 Vin = High(1) 时：

NMOS 导通（ON），PMOS 截止（OFF）。Vout 通过 NMOS 与 GND 连接，输出 Vout 为 Low(0)。

注：由于在 PMOS 源极加了高电平 VDD，当 PMOS 栅极为 0V 时，相对于源极而言，栅极电压为负，因此 PMOS 在栅极= 0V 时导通。

在 CMOS 反相器中，根据输入电压的高或低，NMOS 或 PMOS 中必定有一个处于关闭状态，由于维持 1/0 状态不需要额外用电，所以 CMOS 具有低功耗的特点。

实际的 CMOS 反相器由于 MOS 管的非理想特性，在输入电压从低电平到高电平的变化过程中，输出电压并不是瞬间从高电平跳变到低电平，而是存在一个过渡区域，在这个区域内，输出电压随着输入电压的变化而逐渐变化。

4. CMOS优势和特点

a. 低功耗

CMOS 电路在静态时几乎不消耗功率，只有在状态转换时才会有少量的动态功耗。这使得 CMOS 技术非常适合用于电池供电的便携式设备和对功耗要求严格的应用场合。

b. 高集成度

CMOS 工艺可以在较小的芯片面积上集成大量的晶体管和其他电子元件，从而实现高度集成的电路功能。这有助于降低成本、减小设备体积，并提高系统的可靠性。

c. 抗干扰能力强

CMOS 电路对电源噪声和外部干扰具有较强的抵抗能力。这是因为 CMOS 器件的输入阻抗非常高，对输入信号的影响较小。

d. 速度快

随着技术的不断进步，CMOS 电路的工作速度不断提高，可以满足高速数字信号处理和通信等应用的需求。

Reference：

1. Semiconductor Devices Physics and Technology.

2. Semiconductor Physics and Devices, Donald A.Neamen.

3. Design of analog CMOS Integrated Circuits, Behzad Razavi.

来源：卡比獸papa