CMOS · TechGene

技术定义

用互补的 p 沟道和 n 沟道 MOSFET 构成逻辑网络、在稳态几乎不消耗直流功率的电路技术。

它是什么

CMOS 用 p 沟道和 n 沟道 MOSFET 组成互补的上拉、下拉网络。输入为稳定值时，通常只有一侧导通，输出翻转时才主要消耗充放电能量。

为什么出现、解决了什么问题

随着芯片上逻辑门数量增加，静态功耗会限制系统规模和供电。互补结构在稳态几乎没有从电源到地的直流通路，因此把功耗的主要部分推迟到信号切换时。

为什么重要、推动了什么

CMOS 使低功耗和高密度可以同时成立，后来成为微处理器的主流逻辑路线。它还推动了电池设备、航天和大规模数字系统的发展，但动态功耗与互连延迟仍需持续优化。

原理与影响

解决的问题

降低 MOS 逻辑在静态保持状态时的功耗。
在便携、航天和大规模系统中改善功耗与噪声裕量。

核心原理

上拉和下拉网络互补，稳态时通常只有一侧导通。
输入翻转时发生短暂充放电，输出电容决定动态功耗和速度。

相对前代的改进

相较单一极性 MOS 逻辑，静态功耗显著降低。
可在更高集成度下保持较好的逻辑噪声裕量。

技术意义

成为后来微处理器和数字系统的主流逻辑技术。
把集成密度增长与可接受的系统功耗结合起来。

历史与应用

人物

Frank Wanlass、Chih-Tang Sah

组织

Fairchild Semiconductor、RCA Research Laboratories

事件

1963 年提出互补 MOS 逻辑、1970 年代 CMOS 进入低功耗逻辑和存储市场

典型应用

低功耗逻辑门、CMOS RAM、微处理器和数字控制器

留下的局限

早期 CMOS 速度不及主流双极逻辑，制造配对器件也较复杂。
动态功耗、漏电和互连延迟会随规模增长。

上下游关系

上游

←MOSFET依赖CMOS 逻辑单元需要成对的 MOSFET 形成互补上拉和下拉网络。

证据：1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented

←MOS 集成电路特化CMOS 以互补的 p 沟道和 n 沟道 MOS 晶体管构成低静态功耗逻辑，是 MOS 集成电路的一种电路配置。