什么？CMOS你还搞不明白？赶紧看过来！CMOS工作原理详解！

      一谈到CMOS，我估计大家首先想到的就是电脑的CPU，确实，CPU就是一个将几十亿个晶体管集成在一起的超级电路，最新报价酷睿I7-7700K太平洋上报价达到了恐怖的2799元，为什么值这么多钱？这与其采用了14nm工艺，主频达到4.2Ghz是分不开的，想想我笔记本的主频才1.6Ghz，就知道差距有多大了，如果你觉得差距不大，那我就再说一个数字，我买这台笔记本当时的价格还不到这款发烧级CPU价钱的2倍，这样的CPU，再配上顶级主板，顶级显卡，加上顶级内存，以及固态硬盘，再加上电源，机箱，以及牛逼一点风冷后者水冷系统，光机箱价格估计就得过万了，这种存在于理想中的东西，想想挺好，哈哈，现实是买不起，买了估计掉价也比较快，尤其是显卡，很容易降价。

        扯的有点远了，说回到CMOS来，我们没办法理解CPU这么个复杂的东西是怎么工作的，但是其最基本单元，MOSFET的工作原理是一定要懂的，因为用到MOSFET的产品可不仅仅只有CPU，一般的逻辑电路，数字电路，混合信号电路等等都要用到MOSFET，或者CMOS，这个时候如果你还不懂CMOS工作原理，就说不过去了，这个可是吃饭的本事啊！想想线上一大堆活在跑，如果不懂得CMOS工作原理，工艺中哪个步骤出问题了，会对器件有什么程度的影响不了解，或者最终WAT/PCM数据出来发现异常了，却不知道根据异常结果反推可能出问题的工艺步骤，那么分析问题将会是多么的困难啊！搞不好就混不下去了额~~所以说，深入理解CMOS的工作原理是必须，必要，以及必学的，过程虽然 痛苦，结果是好的，所以，打起精神来，跟上我的思路，学起来其实并不难。

        学CMOS工作原理前，先放一张CMOS反相器在这里，它的基本原理后面再讲，CMOS反相器就是无论输入端电压正负，都会有输出，相当于0/1切换，用处非常广泛。

        下面开始介绍MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranistor，即金属氧化物半导体场效应晶体管。

        首先来认识MOSFET的基本结构：对于N沟增强型MOSFET来说，有4端，P型阱Bulk，N型源、漏Source/Drian，以及控制电荷的栅极Gate，其中栅极在普通的微米级和亚微米级来说是由二氧化硅层和掺杂了N型杂质的Poly来构成的，线宽越小，对接触电阻要求越高，会采取各种硅化物来降低接触电阻；源漏则是由一定深度即浓的N型离子注入形成的；最复杂的是阱，别看做起来很简单，按照不同能量，不同剂量做个2-3次离子注入，然后推一下就可以了，但实际上，这2-3次离子注入的能量和剂量如何来设置才是最难的，推到什么程度合适都是有讲究的，这里要平衡各方的“利益”之后取的一个最佳条件；为了保证器件工作稳定可靠，对栅氧厚度，生长质量，可动离子控制，杂质控制都是极为严苛的，这里就先提这么一下吧！毕竟栅氧控制也是炉管工艺的重点，再介绍炉管工艺的时候再着重介绍吧！还有一点就是为什么是POLY GOX Si的组合，这个涉及到平带电压、功函数与VT的关系，后面有机会也要系统讲一次的。

        今天我们只介绍MOSFET的工作原理。在介绍原理前要知道MOSFET的2种分类方法：按照导电类型不同分为：N沟道MOSFET和P沟道MSOFET

按照零栅压时有无导电沟道可分为4种：N沟道增强型，N沟道耗尽型，P沟道增强型，P沟道耗尽型.

知道了MOSFET的分类，现在以N沟道增强型MOSFET（简称NMOS）为例，讲解NMOS的工作原理：可以看着下面的图，我来详细讲解

我们对应于NMOS的输出特性曲线来讲解NMSO的工作模式：

1. 当Gate加负电压时，电场作用下，吸引P阱空穴到表面，源漏间始终有P型载流子挡着，形成不了沟道，所以无论Gate和Drain怎样加电压，器件处于关闭状态；

2. 当Gate加正向电压时，电场作用下，排斥P阱表现P型载流子，使P阱表面出现耗尽层，逐渐增大Gate电压，开始耗尽层加宽，知道不变，继续增大Gate电压，电场足够大，会将电子吸引到耗尽区表面，形成一层N型沟道，这时候如果在Drain端加正电压，则电子会从Source流向Drain端；

3. 由于Drain端电压的加入，越靠近Drain端，电场最强，耗尽层越厚，沟道从开始的长方形（不加Drain电压），变成了楔形，即越靠近Drain端，沟道越靠近表面，相当于梯形的上底，Source端相当于梯形的下底，这个楔形沟道会一直保持到发生强反型，即Vds=Vgs-Vt，也就是在器件最右边先打到Vgd=Vt，沟道出现夹断，楔形变成三角形，在此之前，NMOS一直工作在线性区，沟道表现出来类似电阻特性，Drain端电流随随着Drain端电压的增大而增大；

4. 继续增大Drain端电压，沟道夹断点向Source端移动，这个过程会保持一端距离，知道在某一点，Drain端电流急剧增大，器件在这个夹断点电场强大到击穿器件，在此之前，虽然夹断点左移，但是沟道却表现为一个可变电阻（Drain电压变大，耗尽区展宽，沟道变薄，电阻变大），因此，Drian端电流表现为随着Drain端电压变大，Drian端电流几乎不变，（实际会稍有倾斜），这个区间称为NMSO的饱和区；

5. 前面已经讲到了，继续增大Drain端电压，在Gate和Drian电场的共同作用下，器件达到临界击穿电场，器件发生击穿，Drain端电流急剧增大，该区域成为NMSO的击穿区，一般要避免让器件工作在这个区域；
   

NMOS转移特性曲线：

需要说明的是，在Vgs<Vt时，有一个亚域开启的概念，就是虽然器件没有强反型，但是出于弱反型状态，对于沟道比较长的工艺来说一般不是问题，当沟道尺寸进入深亚微米时，器件的亚域开启就变得非常重要了，非常容易造成器件漏电偏大，这是的亚域开启起作用非常大的因素除了短沟和宅沟效应外，另两个容易被忽略的是DIBL（漏致势垒降低）和GIBL（栅致势垒降低）效应，这个在进入纳米时代就更明显了，是大家想尽量避免的问题，也是器件设计的重点，这里只是提一下，以后再介绍。

对于PMOS，电压取反即可理解，只是载流子换成了空穴，由于空穴的迁移速率比电子慢，因此PMOS的饱和电流一般比NMOS的低很多；

对于耗尽型N/PMOS，在栅不加电压时就有沟道存在，越加电压，电流越小，表现出来与增强型刚好相反的特性，理解了NMOS的工作原理，这些都不难理解。

         以上就是MOSFET的工作原理，其实并不难理解，理解了MOSFET的工作原理，后面再讲解影响VT/Idsat的因素就容易理解了，再结合工艺特点就很容反推哪个工艺出了问题。

        下面在回到开头CMOS反相器，即上面PMOS，下面NMOS，输入电压为正（高电平1）时，NMOS开启，PMOS截止，输出电压与NMOS接地端一致，即输出为0; 当输入电压为负（低电平0）时，PMOS开启，NMOS关闭，输出电压与PMOS源极端一致，即输出Vdd，即为输出高电平1，相当于输入1，输出0；输入0，输出1，即电压取反，因此成为反相器。

        看到了吧！CMOS反相器的基本工作原理很简单吧！是的，CMOS的工作原来原本就没有那么复杂，搞不清楚的话，就拿出纸一点点画一画，跟着电压变化，将沟道和耗尽层的关系画对了就明白了。

      好了，今天CMOS的工作原理就讲到这里，自认为一点也不难，难的一些东西还没讲，后面会逐渐展开，讲一些最基本的效应，如：HCI （hot Carrier Injection），衬底电流，DIBL,GIBL,短沟效应，窄沟效应，衬底偏置效应，latch up的预防，ESD的作用及目的等等，听这些名词看起来是不是很晕，哈哈，这些才是CMOS的研究精髓，工作原理只是最基本的一块，后面才是重点，所以这才叫器件基础不是！

        有没有被吓到？应该也不会吧！慢慢学，总会掌握的，跟着我顺一遍，再加上带着产品遇到些问题，测一些参数曲线，你的水平也会很快提升起来的，一起加油吧！

       今天至少知道了电脑的0和1是什么东西了吧！那就是进步哦！

         好了，今天就到这了哦！每当这时就有一种不舍，但毕竟不早了，我得睡觉了，明天继续更新，欢迎继续订阅“半导体内功修炼”，功力大增不是梦，如果觉得我更新的慢了，朋友们可以搜索我提到过的关键词，先自己自学一下，到时候再看我讲会更能深入理解的哦！