详解互补的MOS逻辑晶体管结构及基础电路

金属-绝缘层-半导体场效应晶体管最有前途的应用可能就是N-和P-沟道器件制作在同一个衬底上的低功耗数字系统。由于稳态功耗常低，结构相当简单以及MOSFET里尺寸小等优点，因而可以期望，这些数字系统每单位面积的“包封密度”要比相当的双极晶体管阵列大。

使用N-和P-沟道器件互补逻辑的有关优点已被公认很长一段时间了，但是在同一衬底上制作两种类型器件的工艺问题直到最近才得到解决。毫无疑问，制作互补MOSFET的主要问题是在同一片子中要获得电阻率适用的N-和P-型两个区域。互补的MOS逻辑。电阻率合适的N区作为P-沟道器件的衬底，而电阻率合适的P区则作为N-沟道器件的村底，由于两种器件的电学特性与各自的衬底电阻率关系很大，因而片子中两个区的电阻率要严加控制。

Yagura，Catlln，和Hutohenson采用“衬底反掺杂技术”能够在N-型硅片中制得电阻率合适的P-型区。反掺杂P-型区使用低掺杂浓度的硼扩散。然后，可以制作特性伏的N-和P-沟道元件。在一个硅片上，用反掺杂来制作互补的MOS晶体管，其结构示于图7-14。

Whlte和Crieohi利用“外延-填补”技术（就是我们平常所谓的"凹面外延”-译者注）也得到良好的结果。先在硅片中腐蚀刻槽，然后再沉积导电类型相反的外延硅层，这样，就在同一衬底中得到P和N两个区域。接着机械抛光硅片而得到一个平坦的表面，P和N沟道元件随后就制作在此硅片上。Tsai等人也报导了相仿的工作。由“外延填补”法所制得的互补MOS结构示于图7-15。

应用新奇的SOS技术（即在兰宝石上外延硅）可以制造互补的元件，这种技不需要在同一硅衬底中制造P和N两个区。在高度抛光的单晶兰宝石绝缘衬底上可以生长P-型硅单晶膜。互补的MOS逻辑。Nueller等人已经应用兰宝石上的P-型硅膜来制作N-沟道增强型MOS晶体管。如果硅膜足够薄，在同样的P-型硅膜上也可以制作“无结的”（意思就是P衬底上制作-沟道器件，因而没有P-n结-译者注）P-沟道增强型MOSFET。因为兰宝石衬底为绝缘的，因而对衬底的各种电容可以忽略，这样电路的速度可望快一些。SOS互补MOS晶体管结构示于图7-16。Allison等人已制成SOS互补MOS存储单元，其稳态功耗为每位10微瓦。而对延迟时间为12毫微秒。以这些设计为基础，集成的互补MOS数字阵列马上就要变成现实了。

互补MOS电路最重要的优点是正常工作时，其稳态功耗低。正栅压将使N-沟道增强型MOSFET开通，同时又使P-沟道增强型元件关断。负栅压的作用恰恰相反。此外，在零栅-源电压时，增强型元件是不导电的。因此两种沟道类型的晶体管串联而成分压器时，其中至少有一个元件处于高阻抗关断状态。由于分压器洩漏很小的电流，因而其总功耗也应当非常小，只有在开关的过程中才消耗一定量的功率。这个分压器是互补MOS逻辑的基础电路，也就是互补倒相器。

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