CMOS在電路中具有重要作用，大家對(duì)于CMOS通常較為耳熟。但是，大家對(duì)于CMOS卻未必十分了解。為增進(jìn)大家對(duì)CMOS的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)CMOS相關(guān)知識(shí)予以詳細(xì)介紹。如果你對(duì)本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，電壓控制的一種放大器件。是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。

一、發(fā)展歷史

1963年，仙童半導(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)的Frank Wanlass發(fā)明了CMOS電路。到了1968年，美國(guó)無(wú)線(xiàn)電公司(RCA)一個(gè)由亞伯·梅德溫(Albert Medwin)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出第一個(gè)CMOS集成電路(Integrated Circuit)。早期的CMOS元件雖然功率消耗比常見(jiàn)的晶體管-晶體管邏輯電路(Transistor-to-Transistor Logic, TTL)要來(lái)得低，但是因?yàn)椴僮魉俣容^慢的緣故，所以大多數(shù)應(yīng)用CMOS的場(chǎng)合都和降低功耗、延長(zhǎng)電池使用時(shí)間有關(guān)，例如電子表。不過(guò)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與改良，今日的CMOS元件無(wú)論在使用的面積、操作的速度、耗損的功率，以及制造的成本上都比另外一種主流的半導(dǎo)體制程BJT(Bipolar Junction Transistor，雙載子晶體管)要有優(yōu)勢(shì)，很多在BJT無(wú)法實(shí)現(xiàn)或是實(shí)作成本太高的設(shè)計(jì)，利用CMOS皆可順利的完成。

早期分離式CMOS邏輯元件只有“4000系列”一種(RCA 'COS/MOS'制程)，到了后來(lái)的“7400系列”時(shí)，很多邏輯芯片已經(jīng)可以利用CMOS、NMOS，甚至是BiCMOS(雙載子互補(bǔ)式金氧半)制程實(shí)現(xiàn)。

早期的CMOS元件和主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手BJT相比，很容易受到靜電放電(ElectroStatic Discharge, ESD)的破壞。而新一代的CMOS芯片多半在輸出入接腳(I/O pin)和電源及接地端具備ESD保護(hù)電路，以避免內(nèi)部電路元件的閘極或是元件中的PN接面(PN-Junction)被ESD引起的大量電流燒毀。不過(guò)大多數(shù)芯片制造商仍然會(huì)特別警告使用者盡量使用防靜電的措施來(lái)避免超過(guò)ESD保護(hù)電路能處理的能量破壞半導(dǎo)體元件，例如安裝內(nèi)存模組到個(gè)人電腦上時(shí)，通常會(huì)建議使用者配戴防靜電手環(huán)之類(lèi)的設(shè)備。

此外，早期的CMOS邏輯元件(如4000系列)的操作范圍可由3伏特至18伏特的直流電壓，所以CMOS元件的閘極使用鋁做為材料。而多年來(lái)大多數(shù)使用CMOS制造的邏輯芯片也多半在TTL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的5伏特底下操作，直到1990年后，有越來(lái)越多低功耗的需求與訊號(hào)規(guī)格出現(xiàn)，取代了雖然有著較簡(jiǎn)單的訊號(hào)接口、但是功耗與速度跟不上時(shí)代需求的TTL。此外，隨著MOSFET元件的尺寸越做越小，閘極氧化層的厚度越來(lái)越薄，所能承受的閘極電壓也越來(lái)越低，有些最新的CMOS制程甚至已經(jīng)出現(xiàn)低于1伏特的操作電壓。這些改變不但讓CMOS芯片更進(jìn)一步降低功率消耗，也讓元件的性能越來(lái)越好。

近代的CMOS閘極多半使用多晶硅制作。和金屬閘極比起來(lái)，多晶硅的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)溫度的忍受范圍較大，使得制造過(guò)程中，離子布值(ion implantation)后的退火(anneal)制程能更加成功。此外，更可以讓在定義閘極區(qū)域時(shí)使用自我校準(zhǔn)(self-align)的方式，這能讓閘極的面積縮小，進(jìn)一步降低雜散電容(stray capacitance)。2004年后，又有一些新的研究開(kāi)始使用金屬閘極，不過(guò)大部分的制程還是以多晶硅閘極為主。關(guān)于閘極結(jié)構(gòu)的改良，還有很多研究集中在使用不同的閘極氧化層材料來(lái)取代二氧化硅，例如使用高介電系數(shù)介電材料(high-K dielectric)，目的在于降低閘極漏電流(leakage current)。

二、CMOS應(yīng)用

(一)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，本意是指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體——一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料)是微機(jī)主板上的一塊可讀寫(xiě)的ROM芯片，用來(lái)保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和用戶(hù)對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定。CMOS可由主板的電池供電，即使系統(tǒng)掉電，信息也不會(huì)丟失。CMOS ROM本身只是一塊存儲(chǔ)器，只有數(shù)據(jù)保存功能，而對(duì)CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的程序。

早期的CMOS設(shè)置程序駐留在軟盤(pán)上的(如IBM的PC/AT機(jī)型)，使用很不方便。現(xiàn)在多數(shù)廠家將CMOS設(shè)置程序做到了 BIOS芯片中，在開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)按下某個(gè)特定鍵就可進(jìn)入CMOS設(shè)置程序而非常方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，因此這種CMOS設(shè)置又通常被叫做BIOS設(shè)置。

CMOS由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成，它的特點(diǎn)是低功耗。由于CMOS中一對(duì)MOS組成的門(mén)電路在瞬間要么PMOS導(dǎo)通、要么NMOS導(dǎo)通、要么都截至，比線(xiàn)性的三極管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低，因此，計(jì)算機(jī)里一個(gè)紐扣電池就可以給它長(zhǎng)時(shí)間地提供電力。

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，CMOS常指保存計(jì)算機(jī)基本啟動(dòng)信息(如日期、時(shí)間、啟動(dòng)設(shè)置等)的芯片。有時(shí)人們會(huì)把CMOS和BIOS混稱(chēng)，其實(shí)CMOS是CPU中的一塊只讀的ROM芯片，是用來(lái)保存BIOS的硬件配置和用戶(hù)對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定。CMOS可由主板的電池供電，即使系統(tǒng)掉電，信息也不會(huì)丟失。

早期的CMOS是一塊單獨(dú)的芯片MC146818A(DIP封裝)，共有64個(gè)字節(jié)存放系統(tǒng)信息。386以后的微機(jī)一般將 MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中(如82C206，PQFP封裝)，586以后主板上更是將CMOS與系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和后備電池集成到一塊叫做DALLDA DS1287的芯片中。隨著微機(jī)的發(fā)展、可設(shè)置參數(shù)的增多，現(xiàn)在的CMOS RAM一般都有128字節(jié)及至256字節(jié)的容量。為保持兼容性，各BIOS廠商都將自己的BIOS中關(guān)于CMOS ROM的前64字節(jié)內(nèi)容的設(shè)置統(tǒng)一與MC146818A的CMOS ROM格式一致，而在擴(kuò)展出來(lái)的部分加入自己的特殊設(shè)置，所以不同廠家的BIOS芯片一般不能互換，即使是能互換的，互換后也要對(duì)CMOS信息重新設(shè)置以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

CMOS的設(shè)置內(nèi)容

大致都包含如下可設(shè)置的內(nèi)容：

1.Standard CMOS Setup：標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置，包括日期，時(shí)間和軟、硬盤(pán)參數(shù)等。

2.BIOS Features Setup：設(shè)置一些系統(tǒng)選項(xiàng)。

3.Chipset Features Setup：主板芯片參數(shù)設(shè)置。

4.Power Management Setup：電源管理設(shè)置。

5.PnP/PCI Configuration Setup：即插即用及PCI插件參數(shù)設(shè)置。

6.Integrated Peripherals：整合外設(shè)的設(shè)置。

7.其他：硬盤(pán)自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)口令，加載缺省設(shè)置，退出等

微電子學(xué)中的CMOS概念：

CMOS，全稱(chēng)Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料。采用CMOS技術(shù)可以將成對(duì)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)集成在一塊硅片上。該技術(shù)通常用于生產(chǎn)RAM和交換應(yīng)用系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里通常指保存計(jì)算機(jī)基本啟動(dòng)信息(如日期、時(shí)間、啟動(dòng)設(shè)置等)的ROM芯片。

CMOS由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成，它的特點(diǎn)是低功耗。由于CMOS中一對(duì)MOS組成的門(mén)電路在瞬間要么PMOS導(dǎo)通、要么NMOS導(dǎo)通、要么都截至，比線(xiàn)性的三極管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。

(二)數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域

CMOS制造工藝也被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件(常見(jiàn)的有TTL和CMOS)，尤其是片幅規(guī)格較大的單反數(shù)碼相機(jī)。雖然在用途上與過(guò)去CMOS電路主要作為固件或計(jì)算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工藝，只是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線(xiàn)后轉(zhuǎn)化為電能，再透過(guò)芯片上的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。

相對(duì)于其他邏輯系列,CMOS邏輯電路具有一下優(yōu)點(diǎn):

1、允許的電源電壓范圍寬,方便電源電路的設(shè)計(jì)

2、邏輯擺幅大,使電路抗干擾能力強(qiáng)

3、靜態(tài)功耗低

4、隔離柵結(jié)構(gòu)使CMOS期間的輸入電阻極大,從而使CMOS期間驅(qū)動(dòng)同類(lèi)邏輯門(mén)的能力比其他系列強(qiáng)得多

(三)媒介研究方法

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調(diào)研公司 Dynamic Logic等也在美國(guó)市場(chǎng)推動(dòng)跨媒體研究，包含電視、互聯(lián)網(wǎng)、平媒、戶(hù)外等媒介評(píng)估 ，幫助廣告主優(yōu)化媒介、營(yíng)銷(xiāo)方法。

三、CMOS集成電路介紹

自1958年美國(guó)德克薩斯儀器公司(TI)發(fā)明集成電路(IC)后，隨著硅平面技術(shù)的發(fā)展，二十世紀(jì)六十年代先后發(fā)明了雙極型和MOS型兩種重要的集成電路，它標(biāo)志著由電子管和晶體管制造電子整機(jī)的時(shí)代發(fā)生了量和質(zhì)的飛躍。

CMOS是:金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管構(gòu)成的集成電路稱(chēng)為MOS集成電路，而由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為 CMOS-IC( Complementary MOS Integrated Circuit)。

目前數(shù)字集成電路按導(dǎo)電類(lèi)型可分為雙極型集成電路(主要為T(mén)TL)和單極型集成電路(CMOS、NMOS、PMOS等)。CMOS電路的單門(mén)靜態(tài)功耗在毫微瓦(nw)數(shù)量級(jí)。

CMOS發(fā)展比TTL晚，但是以其較高的優(yōu)越性在很多場(chǎng)合逐漸取代了TTL。

以下比較兩者性能，大家就知道其原因了。

1.CMOS是場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，TTL為雙極晶體管構(gòu)成

2.CMOS的邏輯電平范圍比較大(5～15V)，TTL只能在5V下工作

3.CMOS的高低電平之間相差比較大、抗干擾性強(qiáng)，TTL則相差小，抗干擾能力差

4.CMOS功耗很小，TTL功耗較大(1～5mA/門(mén))

5.CMOS的工作頻率較TTL略低，但是高速CMOS速度與TTL差不多相當(dāng)。

集成電路中詳細(xì)信息：

1.TTL電平：

輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

2.CMOS電平：

1邏輯電平電壓接近于電源電壓，0邏輯電平接近于0V。而且具有很寬的噪聲容限。

3.電平轉(zhuǎn)換電路：

因?yàn)門(mén)TL和CMOS的高低電平的值不一樣(ttl 5v<==>cmos 3.3v)，所以互相連接時(shí)需要電平的轉(zhuǎn)換：就是用兩個(gè)電阻對(duì)電平分壓，沒(méi)有什么高深的東西。哈哈

4.驅(qū)動(dòng)門(mén)電路

OC門(mén)，即集電極開(kāi)路門(mén)電路，OD門(mén)，即漏極開(kāi)路門(mén)電路，必須外接上拉電阻和電源才能將開(kāi)關(guān)電平作為高低電平用。否則它一般只作為開(kāi)關(guān)大電壓和大電流負(fù)載，所以又叫做驅(qū)動(dòng)門(mén)電路。

5.TTL和CMOS電路比較：

1)TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。

2)TTL電路的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，但是功耗大。

CMOS電路的速度慢，傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)(25-50ns),但功耗低。

CMOS電路本身的功耗與輸入信號(hào)的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。

3)CMOS電路的鎖定效應(yīng)：

CMOS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時(shí)，CMOS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。

防御措施：

1)在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過(guò)不超過(guò)規(guī)定電壓。

2)芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓。

3)在VDD和外電源之間加線(xiàn)流電阻，即使有大的電流也不讓它進(jìn)去。

4)當(dāng)系統(tǒng)由幾個(gè)電源分別供電時(shí)，開(kāi)關(guān)要按下列順序：開(kāi)啟時(shí)，先開(kāi)啟CMOS電路得電源，再開(kāi)啟輸入信號(hào)和負(fù)載的電源;關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉輸入信號(hào)和負(fù)載的電源，再關(guān)閉CMOS電路的電源。

6.CMOS電路的使用注意事項(xiàng)

1)CMOS電路時(shí)電壓控制器件，它的輸入總抗很大，對(duì)干擾信號(hào)的捕捉能力很強(qiáng)。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個(gè)恒定的電平。

2)輸入端接低內(nèi)組的信號(hào)源時(shí)，要在輸入端和信號(hào)源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的

電流限制在1mA之內(nèi)。

3)當(dāng)接長(zhǎng)信號(hào)傳輸線(xiàn)時(shí)，在CMOS電路端接匹配電阻。

4)當(dāng)輸入端接大電容時(shí)，應(yīng)該在輸入端和電容間接保護(hù)電阻。電阻值為R=V0/1mA.V0是外界電容上的電壓。

5)CMOS的輸入電流超過(guò)1mA，就有可能燒壞CMOS。

7.TTL門(mén)電路中輸入端負(fù)載特性(輸入端帶電阻特殊情況的處理)：

1)懸空時(shí)相當(dāng)于輸入端接高電平。因?yàn)檫@時(shí)可以看作是輸入端接一個(gè)無(wú)窮大的電阻。

2)在門(mén)電路輸入端串聯(lián)10K電阻后再輸入低電平，輸入端出呈現(xiàn)的是高電平而不是低電平。因?yàn)橛蒚TL門(mén)電路的輸入端負(fù)載特性可知，只有在輸入端接的串聯(lián)電阻小于910歐時(shí)，它輸入來(lái)的低電平信號(hào)才能被門(mén)電路識(shí)別出來(lái)，串聯(lián)電阻再大的話(huà)輸入端就一直呈現(xiàn)高電平。這個(gè)一定要注意。CMOS門(mén)電路就不用考慮這些了。

8.TTL和CMOS電路的輸出處理

TTL電路有集電極開(kāi)路OC門(mén)，MOS管也有和集電極對(duì)應(yīng)的漏極開(kāi)路的OD門(mén)，它的輸出就叫做開(kāi)漏輸出。OC門(mén)在截止時(shí)有漏電流輸出，那就是漏電流，為什么有漏電流呢?那是因?yàn)楫?dāng)三機(jī)管截止的時(shí)候，它的基極電流約等于0，但是并不是真正的為0，經(jīng)過(guò)三極管的集電極的電流也就不是真正的0，而是約0。而這個(gè)就是漏電流。開(kāi)漏輸出：OC門(mén)的輸出就是開(kāi)漏輸出;OD門(mén)的輸出也是開(kāi)漏輸出。它可以吸收很大的電流，但是不能向外輸出的電流。所以，為了能輸入和輸出電流，它使用的時(shí)候要跟電源和上拉電阻一齊用。OD門(mén)一般作為輸出緩沖/驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換器以及滿(mǎn)足吸收大負(fù)載電流的需要。

9.什么叫做圖騰柱，它與開(kāi)漏電路有什么區(qū)別?

TTL集成電路中，輸出有接上拉三極管的輸出叫做圖騰柱輸出，沒(méi)有的叫做OC門(mén)。因?yàn)門(mén)TL就是一個(gè)三級(jí)關(guān)，圖騰柱也就是兩個(gè)三級(jí)管推挽相連。所以推挽就是圖騰。一般圖騰式輸出，高電平400UA，低電平8MA.

打開(kāi)電腦的主機(jī)箱,可以在主板右側(cè)看到一塊"圓"形成扁體的電池,這塊電池也稱(chēng)CMOS電池,保存主板信息的BIOS設(shè)置,我在網(wǎng)吧工作,經(jīng)常碰到主機(jī)啟動(dòng)不了的情況,一般比較容易見(jiàn)效的方法是:將主機(jī)電源拔出來(lái),意思是把電源線(xiàn)從電源盒拿下來(lái),這樣是完全斷電狀態(tài),取下主板電腦可以看到兩個(gè)金屬片,成上下,也就是正\負(fù)極電路,將其對(duì)接讓它短路,按著幾秒鐘,放電基本成功.

還有一種叫小COMS放電:同樣將電源線(xiàn)從電源盒上拔下來(lái),在這樣的狀態(tài)下按"開(kāi)機(jī)"按鈕,重試幾下,系統(tǒng)也將小放電,一般也可以解決電腦無(wú)法開(kāi)機(jī)的問(wèn)題。

以上便是此次小編帶來(lái)的“CMOS”相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)本文，希望大家對(duì)CMOS的相關(guān)內(nèi)容具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來(lái)更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!