数字电路设计中的基本单元——逻辑门的实现原理

上一篇介绍了数字电路设计中的基本单元——逻辑门单元，但是逻辑门的实现原理是什么？实际上，门单元是通过使用较低级别的组件来物理实现的。CMOS门电路和TTL门电路广泛用于集成电路设计。所谓CMOS门电路就是用MOS管搭建的门电路，而TTL门电路就是用TTL管搭建的门电路。这里我们将介绍CMOS门电路。

什么是MOS管？

MOS是英文Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的缩写，中文名称为：Semiconductor Field Effect Transistor。MOS管的结构和符号图如下：

在P型半导体衬底上，制作两个高掺杂N型区，形成MOS晶体管的源极S(Source)和漏极D(Drain)。第三个电极成为栅极G（Gate），通常由金属铝或多晶硅制成。栅极和衬底之间用二氧化硅绝缘层隔开，绝缘层的厚度很薄，在0.1um以内。

上图为N沟道增强型MOS管，简称NMOS管。MOS管还有另一种结构，衬底为N型衬底数字电路基础基本教程，导电沟道为P型，称为PMOS管。其符号图如下：

MOS管是如何构成逻辑门的？

下面展示了几种用MOS管构建的门电路：与门、或门、与非门和或非门。

1.与门：

2.或门：

3.与非门

4.或非门

MOS门电路是如何工作的？

上面的例子表明可以使用 NMOS 晶体管和 PMOS 晶体管构建逻辑门单元。下面介绍这些MOS晶体管逻辑门的工作原理。

为了便于理解，可以将MOS管简单地等同于一个开关，如下图所示：

对于PMOS管数字电路基础基本教程，G为0时开关闭合，G为1时开关打开；

对于NMOS管，G为0时开关关断，G为1时开关导通；

根据这两个等效原理，大家可以回过头来了解MOS门电路是如何实现逻辑门的功能的。这是为了便于理解，MOS管是用作开关的。至于底层的工作原理，就比较复杂了，涉及到对感应电荷和导电通道的理解。有兴趣的小伙伴可以自行查阅资料。