CMOS的邏輯門如何應用在電路中

前言

在如今的電子電路中，CMOS邏輯門有著接近零靜態功耗和超高集成度的特點，是數字電路不可或缺的存在。其獨特之處在于PMOS與NMOS晶體管的互補設計：當輸入低電平時，PMOS導通實現電流上拉；輸入高電平時，NMOS導通完成信號下拉。兩種晶體管交替工作，構成無直流通路的完美配合。合科泰采用的溝槽屏蔽柵工藝優化了晶體管性能，讓CMOS互補管在開關切換的電路降低，滿足現代互聯網和人工智能的能耗要求。

CMOS邏輯門

CMOS通過晶體管的不同組合，構建起基礎的邏輯功能：

非門（反相器）：當輸入高電平時，NMOS導通，而PMOS截止，輸出低電平；輸入低電平的時候則相反，輸出接高電平。無論輸入高或低，只有一個管導通，且沒有直流的通路，靜態時幾乎為0功耗。

與非門（NAND）：當兩個輸入信號都是高電平時，串聯的NMOS將輸出牢牢拉向低電平；只要任一輸入為低，并聯的PMOS立即將輸出推回高電平。這種"全高得低，有低得高"的特性，幫助處理器解碼指令。

或非門（NOR）：任一輸入是高電平時，并聯的NMOS將輸出下拉至低；只有當所有輸入歸零，串聯的PMOS才會輸出高電平。這種設計常在內存存取控制看見。

CMOS的電路設計挑戰

CMOS電路設計的物理挑戰兩個，一個是尺寸縮小后短溝道電場滲透、漏電流導致靜態功耗高等問題。而在實際應用中，CMOS電路面臨著功耗控制、噪聲與信號完整等挑戰：

功耗控制挑戰：高頻應用如手機處理器中，其開關損耗會伴隨頻率變化，而線性增加，進一步會加強芯片發熱。而MOS管的低漏電流，可以降低處理器靜態時的能耗損失，由此增強續航。

信號傳輸完整和速度：電路的布線密度高，相鄰的電容、電感耦合會產生信號的干擾。如數據中心中的信號傳輸，要求兆赫茲級別的開關頻率。

電源噪聲：工廠電機開啟和關閉的時候，電源電路的變化導致電壓的波動，進而產生噪聲。如MOS管HKTQ50N03通過穩定噪聲的容限，從而控制信號的準確與可靠性。

這些特性讓CMOS可以運用在很多電路上，智能手環通過微型與非門的陣列去處理傳感器的信號；電動汽車控制器用或非門的陣列來管理電池狀態；甚至在衛星通信的設備當中，數百萬個邏輯門就在方寸之間完成數據的編碼和解碼。

結語

CMOS邏輯門的性能需要每個晶體管的高品質決定。其中的PMOS需要有高正電壓響應的能力，NMOS則需要具備快速導通的特性，這兩者還需要在毫秒級的開關當中進行協同。這對MOS管提出了更高的要求和穩定性表現。深耕半導體領域數十年的合科泰，正以此為目標精進MOS管技術。

審核編輯 黃宇