绝缘栅型场效应管简称MOS管，与双极性晶体管构成的TTL门电路相比，具有工艺简单，容易集成，输入阻抗高，功耗低，噪声小等优势。

除了构成门电路以外，还能构成双向开关，实现数字信号的双向传输，还可以传递连续变换的模拟信号，利用MOS管的极间电容存储电荷效应，还可以组成动态存储器件

用MOS管构成的集成电路，分为PMOS集成电路、NMOS集成电路、互补型MOS（CMOS）集成电路。由于CMOS具有更低的功耗，更快的工作速度，所以CMOS集成技术成为当今数字集成电路的主流技术。广泛的应用于大规模集成电路以及超大规模集成电路，存储器和微处理器中

一、MOS管的工作原理回顾

以N沟道增强型MOS管为例，它是在P型半导体表面涂上一层很薄的二氧化硅绝缘层，在绝缘层表面连接铝电极作为栅极G。在半导体表面生成俩块高掺杂的N型区域，N型区域分别接出俩个电极，其中与P型衬底短接的是源极S,另一个是漏极D.

这俩个N型区域与P型半导体在交界面处形成2个PN结，相当于俩个背靠背的二极管。在漏极和源极之间加一个直流电压源（漏源电压），此时无论漏源电压的极性如何，这俩个PN结总有一个处于反偏，即使栅极源极短接，在漏源电压的作用下，靠近漏源这一侧的PN结，还是反偏截止的，没有电流产生，此时MOS管工作于截止区。D和S之间呈现高阻态（相当于开关断开）。

将栅极和P型半导体看作是一个平板电容器的俩个极板，中间填充的介质是二氧化硅，由于MOS管的源极和P型衬底是短接的，所以当我门在栅极和源极加入一个正向的栅源电压的话，在二氧化硅绝缘层内部会产生一个指向P型半导体的内电场，这个内电场排斥空穴，吸引电子到半导体表面聚集形成一个电子薄层。

随着栅源电压的增加，越来越多的电子吸引到半导体表面，当栅源电压等于开启电压的时候，电子薄层足以将俩块N型区域连接在一起，形成了漏极和源极之间的导电沟道，称为N型沟道，此时在加入漏源电压，就会有漏极电流产生，这个漏极电流是沿着导电沟道从漏极流向源极的。

MOS管工作于可变电阻区，由于沟道畅通无阻，沟道呈现的阻值很小，D和S之间相当于开关闭合的状态

而P沟道增强型的MOS管，只有在栅极和源极之间加入负向的栅源电压，才能吸引空穴到N型半导体的表面上来，形成P型的导电沟道，因而漏极电流方向与NMOS管刚好相反，是沿着导电沟道从源极流向漏极

二、CMOS反相器

它是由PMOS管和NMOS管构成的互补型电路结构，俩个异型管的栅极连在一起作为输入端子，漏极连在一起作为输出端子，PMOS管的源极接电源的正极性端，NMOS管的源极接地，为了保证正常工作，VDD应大于俩个MOS管的开启电压之和。

NMOS管是驱动管，PMOS管作为驱动管的有源负载定义为负载管

当电路输入高电平信号的时候，PMOS管的栅源之间压差为0，没有导电沟道产生处于截止状态呈现高阻态，NOMS管的栅源压差大于开启电压，为导通状态，呈现低阻值性，此时一端高一端低，俩个不同的沟道电阻，对于供电电源进行分压，电路的输出为低电平。

同理可知输入低电平，输出为高，不过多赘述

由此可见CMOS反相器，输出和输入之间呈现了非逻辑的运算关系，处于正常工作状态时，供电端和接地端必定为高阻状态，流过MOS管的静态电流非常微弱，是一个极小的纳安极漏电流，所以CMOS管静态功耗低。

当CMOS反相器在输出端驱动一个容性负载时，导通的MOS管为容性负载提供了一个快速的充放电回路，因而CMOS门电路开关速度快

我门知道TTL门电路的供电电源一般是+5V，而CMOS门电路电源可以工作在较宽的工作范围内，CMOS反相器的输入端是MOS管的栅极，栅极与源极和漏极之间是绝缘的，所以CMOS门电路是具有高输入阻抗的器件，输入电流约为0

当输入端对地接入电阻的时候，无论电阻的阻值大小，都相当于是输入低电平，约为0V压降的输入。CMOS管的输入端绝对不允许悬空，绝缘栅极很容易收到静电的损坏，悬空容易吸引电荷导致栅源之间高压击穿

三、CMOS与TTL反相器的比较

在相同的+5V供电条件下，TTL输出的高电平约为3.6V，低电平是VT5的饱和输出压降约为0.3V,转折区对应的阈值电压为1.4V

CMOS输出的高电平约等于电源电压（供电端与接地端阻值非常大），输出的低电平非常低一般小于0.1V，阈值电平是供源电压的一半，约为2.5V.

四、CMOS逻辑门结构

1、与非门

将俩个CMOS反相器，它的PMOS管并联在一起，NMOS管串联在一起，构成具有俩个输入端的门电路结构

当输入全为高电平的时候，PMOS管同时截止，而NMOS管会同时导通，此时电路的输出才为低电平

当任意的一个输入端输入为低电平的时候，则电路当中并联的PMOS管总有一个导通，串联的NMOS管总有一个是截止的，电路输出必为高电平

这就是输入有0，输出必为高，输入全高，输出才为0的与非逻辑运算关系

2、或非门

改变电路结构，将PMOS管串联，NMOS管并联

显然，当输入全部接入低电平的时候，PMOS管全部导通，NMOS全部截止，此时电路是输出才为高电平

当任意的一个输入端输入高电平的时候，PMOS管中总有一个截止，NMOS管总有一个导通，此时电路的输出才为低电平

这就是或非逻辑运算关系

五、带缓冲器的CMOS门电路结构

A端和B端经过俩个反相器，得到了A非和B非的输出，虚线框内的电路为或非门电路，又经过一级反相进行取反

当门电路输入端的数量增加的时候，电路中串联的MOS管也增加，如果串联的MOS管全导通的时候，那么电路中总的导通电阻会增加，CMOS门电路的输出电平是导通的电阻和截止电阻对供电电源的分压，总导通电阻增加，会门影响电路的输出电平，使门电路的输出电平要么升高，要么降低，所以CMOS门电路的输入端不宜过多

在门电路输入端和输出端加入CMOS反相器做为缓冲电路，以使输出电平和输出电阻更加稳定

同理可分析CMOS或非门的电路结构