2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 286页
习题 8 10-9
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 287页
第五章 集成逻辑电路
5.1概述
5.1.1 MOS管的基本特性
5.1.2CMOS逻辑电路
5.2半导体存储器
5.2.1随机存取存储器
5.2.2只读存储器
5.3可编逻辑器件
5.3.1可编程逻辑阵列
5.3.2可编程阵列逻辑
5.3.3其它可编程逻辑器件
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 288页
（ P227-245；, 电子线路基础, P77-97,P107）
5.1.1 MOS管的基本特性
MOS管,一种常用的绝缘栅场效应管, 金属 -氧化物 -半导体场
效应管 (Metal Oxide Semiconductor)
原理,通过改变电场强度控制半导体导电能力 。
特点,集成度高 （ 芯片面积小, 制造工艺简单, 成本低 ） ；
功耗低；工作速度略低 （ 电容的充放电 ） 。
分类：
N沟道增强型 MOS管 （ ENMOS） ； N沟道耗尽型 MOS管
（ DNMOS）
P沟道增强型 MOS管 （ EPMOS ） ； P沟道耗尽型 MOS管
（ DPMOS）
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 289页
S G D
Al
N+N+
L
B
W
掺杂浓度低
的 P型硅片
SiO2绝缘层
耗尽层
S：源极
G：栅极
D：漏极
B：衬底
d：氧化层厚度
L：沟道长度
W：沟道宽度
高掺杂 70年代, L=10μm, d=0.1 μm
80年代, L=1μm, d=0.02 μm
90年代末, L=.15μm, d=6 nm
d
电路符号
S
G
D
B
N沟道增强型 MOS管的结构
S
B
D若 S与 B不连在一起, VGS=0,则
漏区和源区被 P型衬底隔开, 背靠
背的两个 PN结, iD=0
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 290页
当 VDS=0,VGS>0时, 电场 E?多
子 ?,少子 ?? 形成耗尽层, VGS
?? 耗尽层宽度 ?
当 VGS= VTH时, 形成反型层 （ P
? N）
E
B
S G D
N+N+
+-
+-
VDS
VGS i
D
N+N+
反型层
导电沟道
VGS ?? E??反型层厚度 ?,称为增强型
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 291页
当 VDS>0时, 将产生漏极电流 iD,在导电沟道
中产生压降, VGS最高, VGD最低
当 VDS= VGS— VTH时,VGD= VTH,D极端的
沟道厚度为 0，沟道预夹断
当 VDS>VGS— VTH时,VGD= VTH,D极端的沟
道厚度为 0，沟道夹断
VDS
S G D
N+N+
B
+-
+-
VGS i
D
N+N+
N+N+
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 292页
?N沟道增强型 MOS管的特性
输出特性：漏极电流 （ 输出电流 ） iD随 VDS（ 输出电压 ）
的变化关系
VDS
+
-V
GS -
+
iD iD
VDS
VGS?
VDS =VGS— VTH
?截止区：
VGS< VTH时, D与 S之间还未形成导电沟道, 如同断开的开关
?可变电阻区：
VGS> VTH,VDS< VGS— VTH时, D与 S之间形成导电沟道, 沟道
未夹断, D与 S之间可看作上一个受 VGS控制的可变电阻
?饱和区：
VGS> VTH,VDS> VGS— VTH时, 沟道预夹断, VDS ??形成夹断
区, iD仅受 VGS的影响, VGS?? iD?,可看作导通的开关
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 293页
转移特性：漏极电流 （ 输出电流 ） iD随 VGS的变化
关系
VDS=CiD
VGS
VTH
VTH称为阈值电压或开启电压, 与衬底电
压和掺杂浓度有关
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 294页
表
1
各种场效应管的特点
基
片
材
料
漏
源
材
料
导电
沟道
类型
阈
电
压
栅极
工作
电压
v
GS
漏源
工作
电压
v
DS
其它特点 符号
p
沟
道增
强型
n
型
p
型 空穴
V
T
负
负 负 易做、速度慢
n
沟
道增
强型
p
型
n
型 电子
V
T
正
正 正 载流子为电
子，电子迁移
率高，故速度
快
p
沟
道耗
尽型
n
型
p
型 空穴
V
I
正
实际中很难制
造
n
沟
道耗
尽型
p
型
n
型 电子
V
I
负
零、
正、负
均可
正 速度较快，可
在零栅压下工
作
G
D
S
G
D
S
G
D
S
G
D
S
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 295页
VG
VDD
iD
CL
源跟随器 i
D
VDS
VDS =VGS
VGS = VDD
P1
P0P2
P0,VCL=0,VDS=VDD,VG=0,截止
P1,VG=0? VDD, VCL=0,VGS =VDS=VDD,导通, 饱和区,
给 CL充电, VCL?
P2,VCL =VDD-VT, VGS =VT，截止,CL充电停止,VCL< VG，
缺点 1
VCL?? iD ?? Ron??工作速度 ?,缺点 2
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 296页
漏极输出
P0,VCL=VDS=VDD,VG=0,截止
P1,VG=0? VDD, VCL=VGS =VDS=VDD,导通, 饱和区,
CL放电, VCL?
P2,VCL=VGS-VT, VGS =VDD，可变电阻区,VCL?
P3,VCL=VDS=0,CL放电停止
VCL ?? iD 保持 (P1 ?P2) ? iD ? (P2 ?P3),恒流放电
VG
iD
CL
iD
VDS
VDS =VGS-VT
VGS = VDD
P1
P0
P2
P3
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 297页
5.1.2CMOS逻辑电路 （ P237-245）,反相器, 传输门
CMOS：互补对称式金属 -氧化物 -半导体电路
Complementary-symmetry Metal Oxide
Semiconductor
?CMOS反相器的电路结构
M1
M2
VOVI
VDD
iD
设 M1的开启电压为 VTP,M2的开启电压为 VTN
TNTPDD VVV ??
DDOHO
TNGS
TPDDGSILI
VVV
VV
VVVVV
??
??
????
0
0
2
1时，
0
0
2
1
??
??
????
OLO
TNDDGS
TPGSDDIHI
VV
VVV
VVVVV 时，
特点：无论 VI为高电平或低电平,M1和 M2总有
一个导通，一个截止
M1是 P沟道增强型 MOS管,M2是 N沟道增强型
MOS管
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 298页
电压传输特性
0.5VDD
Vo
VI
VDD
VTN
?VTP?
VDD1/2VDD
A B C
D E F
电流传输特性
iD
VI
VTN ?VTP?
VDD1/2VDD
A B
C D
E F
iD
VDS
VGS?
VDS =VGS— VTN iD
VDS
?VGS ??
VDS =VGS-VTP
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 299页
电压传输特性和电流传输特性
AB,VI<VTN,VGS2<VTN,?VGS1?>?VTP?,?VDS1?< ?VGS1-
VTP?, M1导通, 低阻电阻区, M2截止, Vo=VoH=VDD
BC,VI>VTN,VGS2 ? >VTN,VDS2 =Vo>VGS2-VTN,?VGS1??，
Vo?, ?VDS1??<?VGS1-VTP?,M2开始 导通, 高内阻的饱和区,
M1高阻电阻区
CD,VI ?,VGS2 >VTN,VDS2 >VGS2-VTN,?VGS1?>?VTP?，
?VDS1?> ?VGS1-VTP?, M2和 M1, 饱和区
DE,VI ?,VGS2 >VTN,VDS2 <VGS2-VTN,
M2低内阻的电阻区,M1饱和区
EF,VI ?,?VGS1?=VDD-VI<?VTP?，
M2低内阻的电阻区,M1截止区
优点：噪声容限为 1/2VDD，抗干扰能力最强
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 300页
?CMOS传输门
都截止和时,210010 MMVVCC G S PG S N,,,????
VI /Vo
VDD
C
C
Vo/VI
M1
M2
DDI VV ??0
导通时,101 MVVCC TNG S N,,???
TNDDI VVV ???0
导通时,201 MVVCC TPG S P,,???
DDITP VVV ??
C
C
Vo/VITGVI /Vo
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 301页
?CMOS三态 门
为高阻态截止，、
导通
YMMQEN
AYMAQEN
23
3
01
0
,,
,,,
??
???
Y
VDD
M1
M2
M3
A + Q
EN
A Y
EN
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 302页
?CMOS门电路
ABY ?
驱动管串联，
负载管并联
BAY ??
驱动管并联，
负载管串联
A
Y
VDD
M1
M2
M3
B
M4
A
Y
VDD
M1M2
M3
B M4
思考题：如何用 CMOS电路实现与或非
门,与门和或门
CDABY ??
习题 8 10-9
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 287页
第五章 集成逻辑电路
5.1概述
5.1.1 MOS管的基本特性
5.1.2CMOS逻辑电路
5.2半导体存储器
5.2.1随机存取存储器
5.2.2只读存储器
5.3可编逻辑器件
5.3.1可编程逻辑阵列
5.3.2可编程阵列逻辑
5.3.3其它可编程逻辑器件
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 288页
（ P227-245；, 电子线路基础, P77-97,P107）
5.1.1 MOS管的基本特性
MOS管,一种常用的绝缘栅场效应管, 金属 -氧化物 -半导体场
效应管 (Metal Oxide Semiconductor)
原理,通过改变电场强度控制半导体导电能力 。
特点,集成度高 （ 芯片面积小, 制造工艺简单, 成本低 ） ；
功耗低；工作速度略低 （ 电容的充放电 ） 。
分类：
N沟道增强型 MOS管 （ ENMOS） ； N沟道耗尽型 MOS管
（ DNMOS）
P沟道增强型 MOS管 （ EPMOS ） ； P沟道耗尽型 MOS管
（ DPMOS）
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 289页
S G D
Al
N+N+
L
B
W
掺杂浓度低
的 P型硅片
SiO2绝缘层
耗尽层
S：源极
G：栅极
D：漏极
B：衬底
d：氧化层厚度
L：沟道长度
W：沟道宽度
高掺杂 70年代, L=10μm, d=0.1 μm
80年代, L=1μm, d=0.02 μm
90年代末, L=.15μm, d=6 nm
d
电路符号
S
G
D
B
N沟道增强型 MOS管的结构
S
B
D若 S与 B不连在一起, VGS=0,则
漏区和源区被 P型衬底隔开, 背靠
背的两个 PN结, iD=0
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 290页
当 VDS=0,VGS>0时, 电场 E?多
子 ?,少子 ?? 形成耗尽层, VGS
?? 耗尽层宽度 ?
当 VGS= VTH时, 形成反型层 （ P
? N）
E
B
S G D
N+N+
+-
+-
VDS
VGS i
D
N+N+
反型层
导电沟道
VGS ?? E??反型层厚度 ?,称为增强型
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 291页
当 VDS>0时, 将产生漏极电流 iD,在导电沟道
中产生压降, VGS最高, VGD最低
当 VDS= VGS— VTH时,VGD= VTH,D极端的
沟道厚度为 0，沟道预夹断
当 VDS>VGS— VTH时,VGD= VTH,D极端的沟
道厚度为 0，沟道夹断
VDS
S G D
N+N+
B
+-
+-
VGS i
D
N+N+
N+N+
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 292页
?N沟道增强型 MOS管的特性
输出特性：漏极电流 （ 输出电流 ） iD随 VDS（ 输出电压 ）
的变化关系
VDS
+
-V
GS -
+
iD iD
VDS
VGS?
VDS =VGS— VTH
?截止区：
VGS< VTH时, D与 S之间还未形成导电沟道, 如同断开的开关
?可变电阻区：
VGS> VTH,VDS< VGS— VTH时, D与 S之间形成导电沟道, 沟道
未夹断, D与 S之间可看作上一个受 VGS控制的可变电阻
?饱和区：
VGS> VTH,VDS> VGS— VTH时, 沟道预夹断, VDS ??形成夹断
区, iD仅受 VGS的影响, VGS?? iD?,可看作导通的开关
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 293页
转移特性：漏极电流 （ 输出电流 ） iD随 VGS的变化
关系
VDS=CiD
VGS
VTH
VTH称为阈值电压或开启电压, 与衬底电
压和掺杂浓度有关
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 294页
表
1
各种场效应管的特点
基
片
材
料
漏
源
材
料
导电
沟道
类型
阈
电
压
栅极
工作
电压
v
GS
漏源
工作
电压
v
DS
其它特点 符号
p
沟
道增
强型
n
型
p
型 空穴
V
T
负
负 负 易做、速度慢
n
沟
道增
强型
p
型
n
型 电子
V
T
正
正 正 载流子为电
子，电子迁移
率高，故速度
快
p
沟
道耗
尽型
n
型
p
型 空穴
V
I
正
实际中很难制
造
n
沟
道耗
尽型
p
型
n
型 电子
V
I
负
零、
正、负
均可
正 速度较快，可
在零栅压下工
作
G
D
S
G
D
S
G
D
S
G
D
S
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 295页
VG
VDD
iD
CL
源跟随器 i
D
VDS
VDS =VGS
VGS = VDD
P1
P0P2
P0,VCL=0,VDS=VDD,VG=0,截止
P1,VG=0? VDD, VCL=0,VGS =VDS=VDD,导通, 饱和区,
给 CL充电, VCL?
P2,VCL =VDD-VT, VGS =VT，截止,CL充电停止,VCL< VG，
缺点 1
VCL?? iD ?? Ron??工作速度 ?,缺点 2
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 296页
漏极输出
P0,VCL=VDS=VDD,VG=0,截止
P1,VG=0? VDD, VCL=VGS =VDS=VDD,导通, 饱和区,
CL放电, VCL?
P2,VCL=VGS-VT, VGS =VDD，可变电阻区,VCL?
P3,VCL=VDS=0,CL放电停止
VCL ?? iD 保持 (P1 ?P2) ? iD ? (P2 ?P3),恒流放电
VG
iD
CL
iD
VDS
VDS =VGS-VT
VGS = VDD
P1
P0
P2
P3
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 297页
5.1.2CMOS逻辑电路 （ P237-245）,反相器, 传输门
CMOS：互补对称式金属 -氧化物 -半导体电路
Complementary-symmetry Metal Oxide
Semiconductor
?CMOS反相器的电路结构
M1
M2
VOVI
VDD
iD
设 M1的开启电压为 VTP,M2的开启电压为 VTN
TNTPDD VVV ??
DDOHO
TNGS
TPDDGSILI
VVV
VV
VVVVV
??
??
????
0
0
2
1时，
0
0
2
1
??
??
????
OLO
TNDDGS
TPGSDDIHI
VV
VVV
VVVVV 时，
特点：无论 VI为高电平或低电平,M1和 M2总有
一个导通，一个截止
M1是 P沟道增强型 MOS管,M2是 N沟道增强型
MOS管
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 298页
电压传输特性
0.5VDD
Vo
VI
VDD
VTN
?VTP?
VDD1/2VDD
A B C
D E F
电流传输特性
iD
VI
VTN ?VTP?
VDD1/2VDD
A B
C D
E F
iD
VDS
VGS?
VDS =VGS— VTN iD
VDS
?VGS ??
VDS =VGS-VTP
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 299页
电压传输特性和电流传输特性
AB,VI<VTN,VGS2<VTN,?VGS1?>?VTP?,?VDS1?< ?VGS1-
VTP?, M1导通, 低阻电阻区, M2截止, Vo=VoH=VDD
BC,VI>VTN,VGS2 ? >VTN,VDS2 =Vo>VGS2-VTN,?VGS1??，
Vo?, ?VDS1??<?VGS1-VTP?,M2开始 导通, 高内阻的饱和区,
M1高阻电阻区
CD,VI ?,VGS2 >VTN,VDS2 >VGS2-VTN,?VGS1?>?VTP?，
?VDS1?> ?VGS1-VTP?, M2和 M1, 饱和区
DE,VI ?,VGS2 >VTN,VDS2 <VGS2-VTN,
M2低内阻的电阻区,M1饱和区
EF,VI ?,?VGS1?=VDD-VI<?VTP?，
M2低内阻的电阻区,M1截止区
优点：噪声容限为 1/2VDD，抗干扰能力最强
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 300页
?CMOS传输门
都截止和时,210010 MMVVCC G S PG S N,,,????
VI /Vo
VDD
C
C
Vo/VI
M1
M2
DDI VV ??0
导通时,101 MVVCC TNG S N,,???
TNDDI VVV ???0
导通时,201 MVVCC TPG S P,,???
DDITP VVV ??
C
C
Vo/VITGVI /Vo
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 301页
?CMOS三态 门
为高阻态截止，、
导通
YMMQEN
AYMAQEN
23
3
01
0
,,
,,,
??
???
Y
VDD
M1
M2
M3
A + Q
EN
A Y
EN
2010-5-21 作者：清华大学电子工程系 罗嵘 第 302页
?CMOS门电路
ABY ?
驱动管串联，
负载管并联
BAY ??
驱动管并联，
负载管串联
A
Y
VDD
M1
M2
M3
B
M4
A
Y
VDD
M1M2
M3
B M4
思考题：如何用 CMOS电路实现与或非
门,与门和或门
CDABY ??
