五分鐘搞不定系列-?1 1=?
時(shí)間：2021-12-07 14:21:48
手機(jī)看文章
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
[導(dǎo)讀]作者簡(jiǎn)介甄建勇，高級(jí)架構(gòu)師（某國(guó)際大廠），十年以上半導(dǎo)體從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。主要研究領(lǐng)域:CPU/GPU/NPU架構(gòu)與微架構(gòu)設(shè)計(jì)。感興趣領(lǐng)域:經(jīng)濟(jì)學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)。??1.引言1加1等于幾？這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，一年級(jí)的小學(xué)生都會(huì)毫不猶豫的回答是：2?？墒悄阒烙?jì)算機(jī)是怎么計(jì)算出來(lái)的嗎？你可能會(huì)...
作者簡(jiǎn)介甄建勇，高級(jí)架構(gòu)師（某國(guó)際大廠），十年以上半導(dǎo)體從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。主要研究領(lǐng)域:CPU/GPU/NPU架構(gòu)與微架構(gòu)設(shè)計(jì)。感興趣領(lǐng)域:經(jīng)濟(jì)學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)。?
先說(shuō)一下原子核核外電子的分層排布規(guī)律：1、第一層不超過(guò)2個(gè)，第二層不超過(guò)8個(gè)；2、最外層不超過(guò)8個(gè)。每層最多容納電子數(shù)為2n^2個(gè)(n代表電子層數(shù))，即第一層不超過(guò)2個(gè)，第二層不超過(guò)8個(gè)，第三層不超過(guò)18個(gè)；3、最外層電子數(shù)不超過(guò)8個(gè)(只有1個(gè)電子層時(shí)，最多可容納2個(gè)電子)。4、最低能量原理：電子盡可能地先占有能量低的軌道，然后進(jìn)入能量高的軌道，使整個(gè)原子的能量處于最低狀態(tài)。硅，英文叫Silicon，原子序數(shù)是14，根據(jù)原子的電子排布規(guī)律，可知，硅最外層電子數(shù)是4。而最外層電子為8是穩(wěn)定的（比如惰性氣體），所以硅原子與相鄰的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，純凈硅中形成正四面體網(wǎng)格，所以純凈硅的導(dǎo)電性很弱。但是，如果在純凈硅中摻雜少量3價(jià)原子（比如硼），那么這些原子擠占原有硅原子的位置后, 其最外層還缺少一個(gè)電子和相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵, 形成空穴。在電場(chǎng)的作用下, 周?chē)碾娮泳蜁?huì)跑過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴, 從而留下一個(gè)新的空穴, 相當(dāng)于空穴也在順著電場(chǎng)方向流動(dòng), 形成正電流。這類(lèi)材料被稱為P(Positive) 型材料。如果在純凈硅中摻雜少量5 價(jià)的原子(如磷), 這些原子將擠占原有硅原子的位置, 而由于這些原子的最外層有5 個(gè)電子, 除了與原有硅原子形成共價(jià)鍵用掉4 個(gè)電子外, 還多余一個(gè)處于游離狀態(tài)的電子。在電場(chǎng)的作用下, 處于游離狀態(tài)的電子就會(huì)逆著電場(chǎng)方向流動(dòng), 形成負(fù)電流。這類(lèi)材料被稱為N(Negative) 型材料。??
PN結(jié)是由一個(gè)N型材料和一個(gè)P型材料緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子，空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子，自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開(kāi)路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止擴(kuò)散。另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。從PN結(jié)的形成原理可以看出，要想讓PN結(jié)導(dǎo)通形成電流，必須消除其空間電荷區(qū)的內(nèi)部電場(chǎng)的阻力。很顯然，給它加一個(gè)反方向的更大的電場(chǎng)，即P區(qū)接外加電源的正極，N區(qū)接負(fù)極，就可以抵消其內(nèi)部自建電場(chǎng)，使載流子可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而形成線性的正向電流。而外加反向電壓則相當(dāng)于內(nèi)建電場(chǎng)的阻力更大，PN結(jié)不能導(dǎo)通，僅有極微弱的反向電流（由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成，因少子數(shù)量有限，電流飽和）。當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，因少子的數(shù)量和能量都增大，會(huì)碰撞破壞內(nèi)部的共價(jià)鍵，使原來(lái)被束縛的電子和空穴被釋放出來(lái)，不斷增大電流，最終PN結(jié)將被擊穿（變?yōu)閷?dǎo)體）損壞，反向電流急劇增大。這就是PN結(jié)的特性：?jiǎn)蜗驅(qū)?、反向飽和漏電或擊穿?dǎo)體，二極管就是基于PN結(jié)的單向?qū)ㄔ砉ぷ鞯?；而一個(gè)PNP結(jié)構(gòu)則可以形成一個(gè)三極管，里面包含了兩個(gè)PN結(jié)。
?
當(dāng)非4 價(jià)元素?fù)诫s的含量較小時(shí), 產(chǎn)生的電子和空穴也就比較少, 用-號(hào)表示; 當(dāng)非4 價(jià)元素?fù)诫s的含量較大時(shí),產(chǎn)生的電子和空穴也就比較多, 用 號(hào)表示。因此, P- 表示摻雜濃度低的P 型材料, 里面只有少量的空穴;N 表示摻雜濃度高的N 型材料, 里面有大量電子。MOS 晶體管是由多層摞放在一起的導(dǎo)電和絕緣材料構(gòu)建起來(lái)的。每個(gè)晶體管的底部叫作襯底, 是低濃度摻雜的半導(dǎo)體硅。晶體管的上部接出來(lái)3 個(gè)信號(hào)端口, 分別稱為源極(Source)、漏極(Drain) 和柵極(Gate)。源極和漏極叫作有源區(qū), 該區(qū)域內(nèi)采用與襯底相反極性的高濃度摻雜。襯底是低濃度P 型摻雜, 有源區(qū)是高濃度N 型摻雜的MOS 晶體管叫作NMOS 晶體管; 襯底是低濃度N 型摻雜, 有源區(qū)是高濃度P 型摻雜的MOS 晶體管叫作PMOS晶體管。無(wú)論是NMOS 管還是PMOS 管, 其柵極與襯底之間都存在一層絕緣體, 叫作柵氧層,其成分通常是二氧化硅(SiO2)。不過(guò)最新的工藝又有重新采用金屬柵極的。MOS的工作原理我們先以NMOS 晶體管為例介紹MOS 晶體管的工作原理。如果單純?cè)谠礃O、漏極之間加上電壓, 兩極之間是不會(huì)有電流流過(guò)的, 因?yàn)樵礃O和漏極之間相當(dāng)于有一對(duì)正反相對(duì)的PN 結(jié)。如果先在柵極上加上電壓, 因?yàn)闁叛鯇邮墙^緣的, 就會(huì)在P 襯底里形成一個(gè)電場(chǎng)。柵極上的正電壓會(huì)把P 襯底里面的電子吸引到柵氧層的底部, 形成一個(gè)很薄的溝道電子層, 相當(dāng)于在源極和漏極之間架起了一座導(dǎo)電的橋梁。此時(shí)如果再在源極、漏極之間加上電壓, 那么兩極之間的電流就能流過(guò)來(lái)了。總結(jié)下來(lái)就是：NMOS 晶體管的工作行為就是: 在柵極上加上電就通, 不加電就斷。PMOS 晶體管的工作行為與NMOS晶體管的恰好相反, 加上電就斷, 不加電就通。這樣我們可以簡(jiǎn)單地把MOS 晶體管當(dāng)作開(kāi)關(guān)。NMOS 晶體管是柵極電壓高時(shí)打開(kāi), 柵極電壓低時(shí)關(guān)閉; PMOS 晶體管反過(guò)來(lái), 柵極電壓低時(shí)打開(kāi), 柵極電壓高時(shí)關(guān)閉。隨著工藝的發(fā)展, MOS晶體管中柵氧層的厚度越來(lái)越薄, 使得開(kāi)啟所需的柵極電壓不斷降低。晶體管的工作電壓從早期工藝的5. 0V, 降到后來(lái)的2. 5V、1. 8V, 現(xiàn)在都是1V 左右或更低。盡管MOS 晶體管可以表現(xiàn)出開(kāi)關(guān)的行為, 但是單純的PMOS 晶體管或者NMOS 晶體管都不是理想的開(kāi)關(guān)。例如, NMOS 晶體管適合傳輸0 而不適合傳輸1; PMOS 晶體管恰好相反, 適合傳輸1 而不適合傳輸0。
我們先了解一下非門(mén)，也就是通常說(shuō)的反相器。非門(mén)由一個(gè)P管和一個(gè)N管組成, 其中P管的源極接電源, N管的源極接地, 兩管的漏極連在一起作為輸出, 柵極連在一起作為輸入。如果輸入為0 (接地), 則P 管導(dǎo)通, N 管關(guān)閉, P 管的電阻為很小，N 管的電阻無(wú)窮大, 輸出端的電壓就是電源電壓Vdd。反之, 當(dāng)輸入為1 的時(shí)候, N 管導(dǎo)通, P 管關(guān)閉, N 管的電阻為很小, P 管的電阻無(wú)窮大, 輸出端與電源斷開(kāi), 與地導(dǎo)通, 輸出端電壓為0。以上就是反相器CMOS 電路的工作原理。從反相器的工作原理可以看出CMOS 電路的基本特征, 其關(guān)鍵就在“C” (Complementary,互補(bǔ)) 上, 即由上下兩個(gè)互補(bǔ)的部分組成電路。?了解了非門(mén)的原理，或門(mén)和與門(mén)也就清楚了，讀者可以分析一下以下這個(gè)電路，看看實(shí)現(xiàn)了個(gè)什么功能。?與或非門(mén)類(lèi)似于紅綠藍(lán)三原色一樣，簡(jiǎn)單的三個(gè)顏色就可以組成五彩繽紛的世界，同樣，有了與或非門(mén)，我們就可以搭建出功能豐富的電路。?
在真正開(kāi)始搭建復(fù)雜的電路之前，我們先需要了解一點(diǎn)布爾代數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。常用的布爾代數(shù)運(yùn)算定律有:?恒等律: A 0=A, A
?1. 引言1加1等于幾？
這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，一年級(jí)的小學(xué)生都會(huì)毫不猶豫的回答是：2。
可是你知道計(jì)算機(jī)是怎么計(jì)算出來(lái)的嗎？你可能會(huì)說(shuō)：“用電腦上的計(jì)算器算一下”。“可是，電腦上的計(jì)算器是怎么計(jì)算出來(lái)的呢？”“計(jì)算器就是個(gè)軟件，使用變量加法語(yǔ)句就能計(jì)算加法”“變量加法語(yǔ)句經(jīng)過(guò)編譯，又會(huì)變成什么？”你可能會(huì)說(shuō)：“會(huì)變成CPU的加法指令，使用CPU的加法指令就能計(jì)算加法”。“那CPU里面的加法指令是誰(shuí)完成的呢？”你可能會(huì)說(shuō)：“CPU里面有加法器，加法器負(fù)責(zé)完成加法指令”。“那加法器又是怎么工作的呢？”你可能會(huì)說(shuō)：“有行波加法器和超前進(jìn)位加法器，他們的工作機(jī)制不同”。“聰明！不過(guò)加法器一般能計(jì)算多bit的加法，那么1bit的加法器是怎么工作的呢？”你可能會(huì)說(shuō)：“1bit的加法器，可以通過(guò)真值表表達(dá)出來(lái)，然后根據(jù)真值表，用邏輯門(mén)就能搭出一個(gè)加法器來(lái)”。“邏輯門(mén)一般包括與或非門(mén)，你知道這些邏輯門(mén)是由什么組成的呢？”“這個(gè)嘛，邏輯門(mén)是由CMOS組成的?！?/span>“那CMOS又是由什么組成的呢？”“PN結(jié)，PN結(jié)可以表示0和1，這個(gè)我知道”。“PN結(jié)是怎樣表示0和1的呢？”“PN結(jié)具有正向?qū)?，反向截止的特性，用輸出端的電壓的高低，表?和1”。“為什么PN結(jié)會(huì)正向?qū)?？?/span>“什么是PN結(jié)，什么是柵極（Gate），源極(Source)和漏極(Drain)？”“為什么CMOS采用硅（Silicon）作為基礎(chǔ)材料，而不采用不銹鋼？”“硅的原子序數(shù)是多少？又有哪些化學(xué)性質(zhì)？原子的電子排列規(guī)律有哪些？”“什么是原子軌道，精細(xì)結(jié)構(gòu)？”“什么是原子的能級(jí)？”“如何用薛定諤方程和波函數(shù)計(jì)算原子的能級(jí)？”“薛定諤方程是偏微分方程，如何求解偏微分方程？”“求解偏微分方程一般采用的變分法是什么？”“變分法在計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算1 1”“請(qǐng)問(wèn)：1 1=？”如果想知道答案，請(qǐng)看最上面的第一個(gè)問(wèn)題。關(guān)于以上問(wèn)題，不知道你能問(wèn)出哪些，又知道哪些問(wèn)題的答案。如果你以上問(wèn)題都能回答，請(qǐng)接受我的佩服之情。本文以下內(nèi)容將討論其中的一些問(wèn)題。注：以下內(nèi)容部分來(lái)自《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》，如有需要請(qǐng)參考原文。?后面的內(nèi)容將按如下順序展開(kāi)：硅->PN結(jié)->CMOS->邏輯電路->補(bǔ)碼->加法器->乘法器->浮點(diǎn)數(shù)?2.硅
3.PN結(jié)
PN結(jié)是由一個(gè)N型材料和一個(gè)P型材料緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，我們稱兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)镻N結(jié)。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子，空穴幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子，自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。由于自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開(kāi)路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的薄厚和摻雜物濃度有關(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止擴(kuò)散。另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。從PN結(jié)的形成原理可以看出，要想讓PN結(jié)導(dǎo)通形成電流，必須消除其空間電荷區(qū)的內(nèi)部電場(chǎng)的阻力。很顯然，給它加一個(gè)反方向的更大的電場(chǎng)，即P區(qū)接外加電源的正極，N區(qū)接負(fù)極，就可以抵消其內(nèi)部自建電場(chǎng)，使載流子可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而形成線性的正向電流。而外加反向電壓則相當(dāng)于內(nèi)建電場(chǎng)的阻力更大，PN結(jié)不能導(dǎo)通，僅有極微弱的反向電流（由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成，因少子數(shù)量有限，電流飽和）。當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，因少子的數(shù)量和能量都增大，會(huì)碰撞破壞內(nèi)部的共價(jià)鍵，使原來(lái)被束縛的電子和空穴被釋放出來(lái)，不斷增大電流，最終PN結(jié)將被擊穿（變?yōu)閷?dǎo)體）損壞，反向電流急劇增大。這就是PN結(jié)的特性：?jiǎn)蜗驅(qū)?、反向飽和漏電或擊穿?dǎo)體，二極管就是基于PN結(jié)的單向?qū)ㄔ砉ぷ鞯?；而一個(gè)PNP結(jié)構(gòu)則可以形成一個(gè)三極管，里面包含了兩個(gè)PN結(jié)。
?
4.NMOS 和PMOS 晶體管
當(dāng)非4 價(jià)元素?fù)诫s的含量較小時(shí), 產(chǎn)生的電子和空穴也就比較少, 用-號(hào)表示; 當(dāng)非4 價(jià)元素?fù)诫s的含量較大時(shí),產(chǎn)生的電子和空穴也就比較多, 用 號(hào)表示。因此, P- 表示摻雜濃度低的P 型材料, 里面只有少量的空穴;N 表示摻雜濃度高的N 型材料, 里面有大量電子。MOS 晶體管是由多層摞放在一起的導(dǎo)電和絕緣材料構(gòu)建起來(lái)的。每個(gè)晶體管的底部叫作襯底, 是低濃度摻雜的半導(dǎo)體硅。晶體管的上部接出來(lái)3 個(gè)信號(hào)端口, 分別稱為源極(Source)、漏極(Drain) 和柵極(Gate)。源極和漏極叫作有源區(qū), 該區(qū)域內(nèi)采用與襯底相反極性的高濃度摻雜。襯底是低濃度P 型摻雜, 有源區(qū)是高濃度N 型摻雜的MOS 晶體管叫作NMOS 晶體管; 襯底是低濃度N 型摻雜, 有源區(qū)是高濃度P 型摻雜的MOS 晶體管叫作PMOS晶體管。無(wú)論是NMOS 管還是PMOS 管, 其柵極與襯底之間都存在一層絕緣體, 叫作柵氧層,其成分通常是二氧化硅(SiO2)。不過(guò)最新的工藝又有重新采用金屬柵極的。MOS的工作原理我們先以NMOS 晶體管為例介紹MOS 晶體管的工作原理。如果單純?cè)谠礃O、漏極之間加上電壓, 兩極之間是不會(huì)有電流流過(guò)的, 因?yàn)樵礃O和漏極之間相當(dāng)于有一對(duì)正反相對(duì)的PN 結(jié)。如果先在柵極上加上電壓, 因?yàn)闁叛鯇邮墙^緣的, 就會(huì)在P 襯底里形成一個(gè)電場(chǎng)。柵極上的正電壓會(huì)把P 襯底里面的電子吸引到柵氧層的底部, 形成一個(gè)很薄的溝道電子層, 相當(dāng)于在源極和漏極之間架起了一座導(dǎo)電的橋梁。此時(shí)如果再在源極、漏極之間加上電壓, 那么兩極之間的電流就能流過(guò)來(lái)了。總結(jié)下來(lái)就是：NMOS 晶體管的工作行為就是: 在柵極上加上電就通, 不加電就斷。PMOS 晶體管的工作行為與NMOS晶體管的恰好相反, 加上電就斷, 不加電就通。這樣我們可以簡(jiǎn)單地把MOS 晶體管當(dāng)作開(kāi)關(guān)。NMOS 晶體管是柵極電壓高時(shí)打開(kāi), 柵極電壓低時(shí)關(guān)閉; PMOS 晶體管反過(guò)來(lái), 柵極電壓低時(shí)打開(kāi), 柵極電壓高時(shí)關(guān)閉。隨著工藝的發(fā)展, MOS晶體管中柵氧層的厚度越來(lái)越薄, 使得開(kāi)啟所需的柵極電壓不斷降低。晶體管的工作電壓從早期工藝的5. 0V, 降到后來(lái)的2. 5V、1. 8V, 現(xiàn)在都是1V 左右或更低。盡管MOS 晶體管可以表現(xiàn)出開(kāi)關(guān)的行為, 但是單純的PMOS 晶體管或者NMOS 晶體管都不是理想的開(kāi)關(guān)。例如, NMOS 晶體管適合傳輸0 而不適合傳輸1; PMOS 晶體管恰好相反, 適合傳輸1 而不適合傳輸0。
5.?從CMOS到邏輯門(mén)
我們先了解一下非門(mén)，也就是通常說(shuō)的反相器。非門(mén)由一個(gè)P管和一個(gè)N管組成, 其中P管的源極接電源, N管的源極接地, 兩管的漏極連在一起作為輸出, 柵極連在一起作為輸入。如果輸入為0 (接地), 則P 管導(dǎo)通, N 管關(guān)閉, P 管的電阻為很小，N 管的電阻無(wú)窮大, 輸出端的電壓就是電源電壓Vdd。反之, 當(dāng)輸入為1 的時(shí)候, N 管導(dǎo)通, P 管關(guān)閉, N 管的電阻為很小, P 管的電阻無(wú)窮大, 輸出端與電源斷開(kāi), 與地導(dǎo)通, 輸出端電壓為0。以上就是反相器CMOS 電路的工作原理。從反相器的工作原理可以看出CMOS 電路的基本特征, 其關(guān)鍵就在“C” (Complementary,互補(bǔ)) 上, 即由上下兩個(gè)互補(bǔ)的部分組成電路。?了解了非門(mén)的原理，或門(mén)和與門(mén)也就清楚了，讀者可以分析一下以下這個(gè)電路，看看實(shí)現(xiàn)了個(gè)什么功能。?與或非門(mén)類(lèi)似于紅綠藍(lán)三原色一樣，簡(jiǎn)單的三個(gè)顏色就可以組成五彩繽紛的世界，同樣，有了與或非門(mén)，我們就可以搭建出功能豐富的電路。?
6.從邏輯門(mén)到觸發(fā)器
在真正開(kāi)始搭建復(fù)雜的電路之前，我們先需要了解一點(diǎn)布爾代數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。常用的布爾代數(shù)運(yùn)算定律有:?恒等律: A 0=A, A
下載文檔
