CMOS集成電路的自我隔離-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-07-19
無論是雙極性集成電路，到現在主流的CMOS集成電路，基本都是靠PN結隔離。
我們知道，PN結之所以叫“結”，就是在結合處會成一個內建電場，這個內建電場阻止了P型（空穴多）和N型（電子多）載流子的進一步復合。所以PN結加正向電壓，內建電場被削弱，PN結導通。
加反向電壓，增強了內建電場，PN結不導通。利用PN結的反偏不導通可以做到晶體管之間的隔離效果。為了便于對照，我們把PN結的狀態（零偏正偏反偏）示意圖如下。
反向PN結可以用作隔離
下面是CMOS集成電路的基本單元示意圖：NMOS管和PMOS管。
它們的不同搭配組合可以形成許許多多的邏輯電路。圖中綠色代表N型區，黃色代表P型區，不同顏色深淺代表濃度不同。
NMOS位于P阱內，PMOS位于N阱內，P阱和N阱就構成了一個PN結，阱的引出端是各自的B端。
要讓PMOS管和NMOS管互相隔離，就得采用反偏電壓。所以一定是P阱接低電平，N阱接高電平。普通邏輯或數字電路無一例外。
很多工藝為了簡單，可以只做一個阱，把襯底當作另外一個阱。如果是N型襯底，那就相當于圖中N阱擴展到了下面，襯底得接高電平。如果是P型襯底，那就相當于圖中P阱擴展到了下面，襯底得接低電平。
理解了CMOS器件的隔離技術，就很容易看懂版圖：接VDD高電平的都是PMOS，位于N阱內。接GND低電平的都是NMOS，位于P阱內。
另外由于NMOS是電子導電，PMOS是空穴導電。電子的遷移率比空穴大，所以為了平衡，相同性能的P管寬長比一般比N管大一些。這樣更容易從電源的接法和晶體管的大小就很容易識別PMOS和NMOS版圖。
有人說，這樣接法的限制會不會影響電路設計呢？我們來看一個簡單的例子。
如下圖所示，將阱偏置好的PMOS及NMOS用藍線連接，則可以得到：當in端為高電平“1”時，就會在兩個管子溝道處感應出電子來，導致NMOS導通，PMOS不導通。out端就變成了低電平“0”。
CMOS倒相器工作原理1
相反，如下圖所示，當in端為低電平“0”時，就會在兩個管子溝道處感應出空穴來，導致PMOS導通，NMOS不導通。out端就變成了高電平“1”。
CMOS倒相器工作原理2
除了倒相器，CMOS在阱固定反向偏置下，還可以形成與非門、或非門等等邏輯電路。
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