Технология КМОП: NMOS и PMOS-транзисторы в КМОП-инверторе (3-D вид)

Технология КМОП использует как N-МОП-транзисторы, так и PMOS-транзисторы, изготовленные на одном кремниевом кристалле. PMOS-транзистор подключен между источником питания и выходом, а N-МОП-транзистор – между выходом и землей. Затворы N-МОП- и PMOS-транзисторов соединены, образуя вход инвертора. В КМОП-инверторе и других логических функциях КМОП-схем выход подключен через один или несколько транзисторов либо к источнику питания, либо к земле. Пути от источника питания к земле (короткого замыкания) никогда не существует. Более того, в установившемся режиме ток отсутствует, поскольку входы логических вентилей реализованы в виде транзисторных затворов, изолированных от истока и стока транзистора. Ток течет только при переключении из одного состояния в другое. Следовательно, энергопотребление зависит от частоты переключений и от того, меняет ли логика свое состояние по каждому фронту тактового сигнала. Ток течет только для зарядки или разрядки паразитной емкости в схеме. Выход логического вентиля должен быть всегда подтянут к напряжению питания или к земле, и ни в коем случае не должен быть «плавающим». Плавающий выход приводит к появлению неизвестного промежуточного напряжения на входах вентилей ниже по цепи. Это может привести к частичному открытию как PMOS, так и NMOS транзисторов, создавая короткое замыкание между питанием и землей. Чтобы предотвратить это, выход затвора должен быть подключен через один или несколько транзисторов либо к источнику питания, либо к земле. Транзисторы изготавливаются из кремния n- и p-типа. В кремнии n-типа небольшая часть атомов кремния замещена примесью, например, фосфором, имеющим на один электрон больше во внешней оболочке, чем кремний. Атом фосфора легко отдает свой лишний электрон, создавая отрицательно заряженный подвижный носитель (электрон) и неподвижный ионизированный атом (фосфор). Кремний n-типа может проводить электричество посредством своих подвижных электронов. В кремнии p-типа небольшая часть атомов кремния замещена примесью, например, бором, у которого на один электрон меньше во внешней оболочке, чем у кремния. Атом бора легко принимает дополнительный электрон от соседнего атома кремния, что приводит к образованию неподвижного ионизированного атома (бора) и положительно заряженного атома кремния с дефицитом электронов. Недостающий электрон называется дыркой. Дырка ведёт себя подобно положительно заряженной подвижной частице, поскольку электрон от соседнего атома кремния может переместиться в дырку, создавая новую. Кремний p-типа может проводить электричество посредством своих подвижных дырок. Подробнее об электронах и дырках см. на сайте    • Electrons and holes in semiconductors: int...   Как N-МОП-транзисторы, так и PMOS-транзисторы изготавливаются на одной и той же кремниевой подложке. N-МОП-транзисторы изготавливаются в кремниевой базе p-типа, тогда как PMOS-транзисторы изготавливаются в «островке» n-типа, называемом n-карманом, расположенном внутри базы p-типа. n-карман изолирован от p-базы за счёт обратного смещения p-n-перехода между двумя областями. Подробнее о p-n-переходах с обратным смещением см. по ссылке    • P-N junction, depletion region, electric f...   Следующее видео: Модель КМОП-инвертора с использованием выключателей света    • CMOS Inverter Model Using Light Switches   Подробнее см. в бесплатном учебнике «Современные полупроводниковые приборы для интегральных схем» Чэньмина Ху: https://www.chu.berkeley.edu/modern-s... P-N-переходы — диффузия/дрейф электронов/дырок, профили основных/неосновных носителей заряда, экспоненциальное уравнение диода:    • Semiconductor P-N junction, electron/hole ...   Плейлист с полупроводниковыми приборами:    • Semiconductor physics, p-n junction diodes...   Модель атомной ячейки кремния и алмаза, ориентация пластины/кристалла, индексы Миллера (100) (111)    • Silicon & diamond unit cell atomic model, ...