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你真的了解晶体管?

写点科普 ·2017-10-29 12:38·半导体行业观察
阅读:3700

来源:内容来自写点科普,谢谢。


摩尔定律是由Intel 创始人之一的Gordon Moore 所提出来的:「集成电路(IC) 上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。」而Intel 执行长David House更曾言:「约每18 个月,芯片的效能将提高一倍(即更多的晶体管使其更快)。」



半导体行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪,对二十世纪后半叶的世界经济增长做出了贡献,并驱动了一系列科技创新、生产效率的提高和经济增长。个人电脑、网际网路、智慧型手机等技术改善和创新都离不开摩尔定律的延续。


由于现代电脑、手机与家电的CPU 、GPU 等许多零件,都是以晶体管(Transistor) 为基本元件制成的集成电路(Integrated Circuit)。要了解电脑的大脑── CPU 运作的基本原理,有关逻辑电路的基础知识便十分重要。


先前我们在为什么电脑是只有0与1的世界?世界上只有10种人,一种是懂二进位的  一文中介绍了AND、OR、NOT等逻辑门,和要怎么用逻辑门建立出逻辑电路来实现运算。


然而我们却还没介绍「逻辑门是怎么建构出来的」和「晶体管的功用是什么」这两个重要的问题。今天就让我们来了解一下,如何利用晶体管来建立出逻辑门吧!


一天到晚听到半导体、CMOS、晶体管等名词,却搞不懂它的意义或功能吗?来个简单的小测试



如果你看得懂以上「CMOS」在维基百科的说明文字,包括NMOS、PMOS,还有左方反相器(Inverter)的示意图,欢迎关闭离开这篇文章。若不太理解…今天这篇文章的任务很简单,保证阅读完毕后一看就懂。让我们开始吧!

目前制作晶体管主流技术是采用一种称为「金氧半场效晶体管」 ( M etal- O xide- Semiconductor F ield- E ffect T ransistor)的技术,采用这个名称的原因是因为其中包含一层氧化层,而闸极(Gate)上可能会采用金属作为材质(但不一定要用金属)。


因此又可称MOSFET、MOS 晶体管。MOS 晶体管主要又分成两种类型,一种为nMOS 晶体管、一种为pMOS 晶体管。


图为nMOS 晶体管和pMOS 晶体管的电路符号


MOS 晶体管对外有三个连接:源极(Source)、汲极(Drain) 与闸极(Gate)。只看这个符号可能会觉得非常抽象,让我们举个简单的例子:


MOS 晶体管的工作原理和水龙头很类似,电路中的电流就好比水管中的水流,水流的来源就是「Source」、水流出的地方称为「Drain」,控制水流的水龙头就是「Gate」。如果把Gate 打开,电流就会从Source 流到Drain,相当于导通晶体管。



nMOS 晶体管导通的条件是在Gate 端连接高电位;若Gate 端连接低电位时,nMOS 晶体管就不会导通。另一方面,当pMOS 的Gate 端连接低电位时,晶体管会导通、连接高电位则不导通。


就好似有两种类型的水龙头,一种将把手向上拉才会出水、另一种将把手向下压才会出水。


如果我们将 nMOS 与pMOS 两组功能互相对应的MOS晶体管组合在一起,就能做出一种非常省电的电路,称为CMOS (互补式金属氧化物半导体, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)。而CMOS 也是目前实现集成电路最普遍的作法。


CMOS 虽然耗费了相当多的逻辑门,但是省电又不容易发热,因此广泛被用在制作处理器、记忆体等数位逻辑电路上,因此CMOS 在半导体产业上占有非常重要的地位。


接下来,就让我们来看看:如何用晶体管建构出逻辑门?先从其中最简单的一种逻辑──NOT讲起。也就是用nMOS和pMOS建构出NOT逻辑门。



从图中可看出NOT Gate 的工作原理很简单,只要用两个晶体管便能实现。


电路图中的A 同时连接到了两个晶体管的Gate端,一个nMOS 晶体管、一个pMOS 晶体管。


当 A 为0 时,对于pMOS 晶体管来说、它的 Gate 端为0 时是导通的,所以电源这一端的1 就能传导过来;同时,nMOS 的Gate 端连接0 时是不导通的。所以最后X 这条电路就接到1。


这就是NOT 逻辑门使输入电路A 为0、输出电路X 为1 的运作原理。



同理,电源是1、低电位是零,当A 为1 时,上面pMOS 的Gate 端是1,所以处于关闭状态。而下面nMOS的Gate 端为1 时,就处于导通状态,此时X 的输出就是0。


接着,让我们来看看AND 逻辑门的实现原理。



右边的电路图为NAND 电路原理,其中包含四个晶体管。NAND 逻辑门的真值表和AND 相反,为AND 再取NOT 的结果。我们需要的功能虽然是AND 逻辑门,在这边为什么却不放AND 电路图,而是放一个NAND 呢?



这是因为实际上NAND 逻辑门的实现方式比AND 逻辑门更简单,所以通常会用一个NAND 加上一个NOT,就能很简单地实现AND 逻辑门的功能。



A、B 各连接了一个 pMOS Gate、一个nMOS Gate。


当B 等于1 时,B 连接的pMOS Gate (左上方第一个晶体管) 不会导通;同时,B 连接的nMOS Gate(右下方晶体管) 由于Gate 端为1 时会导通,即把0 传递过来。


同理,A 连接的 pMOS Gate 不会导通、nMOS 继续导通将0 传给电路X,最后输出即为0。


也就实现了NAND 电路:A = 1, B = 1 → X = 0 的目标。


读者可以自己试着画画看A 、 B 的其他三种输入,应该能出现NAND 全部的输出结果。以下为示意图:



另外,还有OR 逻辑门、XOR 逻辑门…。事实上,所有的邏辑线路都可以用NAND 來合成,NAND 也被人称作万用逻辑门。


用一个NAND 逻辑门,就能做出NOT、AND、OR 等逻辑门



最后的最后,带大家重新看看CMOS的维基百科说明。NMOS和PMOS已经为大家介绍过了;而左边那张图…你发现了吗?事实上就是「NOT逻辑门」,也就是「用NMOS和PMOS组出的NOT电路图」。NOT逻辑门的另一个名字也叫Inverter。


不要被  静态互补式金属氧化物半导体反相器 …这一长串咒语骗到啦!翻成英文就只是CMOS Inverter (NOT logic gate),此图只是取所有CMOS逻辑门中、最简单实现的一种来作CMOS的范例。



今天是《半导体行业观察》为您分享的第1440期内容,欢迎关注。

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