陆建恩

摘要：本文从MOS晶体管的伏安特性方程出发，以CMOS反相器为例，以有别于传统定性或者半定量的分析方法，详细研究了CMOS电路的电压传输特性，并以分段函数的形式给出了该传输特性曲线的函数表达式，其数值模拟结果与实际测量结果相当吻合。

关键词：集成电路;CMOS数字电路;电压传输特性

中图分类号：TN386 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0090-04

半导体集成电路技术进步迅速，集成电路的应用领域近年来也更是快速地融入到人工智能、5G、云计算和物联网等领域。而在半导体集成电路的诸多类型中，尤以CMOS集成电路独占鳌头。CMOS的英文全称是Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体。在该型电路中，利用N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管的互补关系，使这类集成电路具备了功耗低、开关速度快、抗干扰能力强、电源电压适应范围宽等一系列独特的优点。因此，被广泛用于制作大规模和超大规模集成电路，例如微处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）以及大规模数字逻辑等。即使进入到当前，即半导体工艺技术进入了纳米级别，然而CMOS电路的逻辑结构形式几乎仍没有改变。而基于器件伏安特性方程且能定量地给出CMOS电路的电压传输特性的函数表达式，对于正确理解电路的工作过程，电路的高电平VOH、低电平VOH的数值变化和电路单元器件的版图设计等均有重要的现实意义。

1 CMOS反相器及其工作原理

在CMOS电路逻辑中，通常只使用电子沟道的增强型NMOS晶体管与空穴沟道的增强型PMOS晶体管。而CMOS最基本的逻辑结构形式即是反相器，如图1所示。……