（俞鹤飞）前面介绍的是TTL集成逻辑电路。由于它是利用电子和空穴两种载流子导电的，所以也叫做双极型电路。除了双极型电路外，还有一类只用一种载流子导电的电路，这就是MOS电路。其中用电子导电的称为NMOS电路；用空穴导电的称为PMOS电路；如果是NMOS和PMOS复合起来组成的电路则称为互补MOS或CMOS电路。
MOS管的工作原理
在一块P型材料衬底上做成两个n区，这两个n区之间的表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，绝缘层上引出一个铝电极，这个电极称为栅极（G）。再在两个n区上引出两个电极，一个叫源极（S），一个叫漏极（D），这样就得到一个有3个电极的MOS管，如图1（a）。由于栅极和基片之间有一层绝缘层，它又是利用电场原理工作的，所以它叫做“绝缘栅场效应管”。从工艺上讲，它是由金属、氧化物和半导体材料组成的，所以也可以叫做“金属—氧化物—半导体场效应管”，简称MOS场效应管或MOS管。
现在让我们来看看MOS管的开关作用。
当栅极G上的电位是零时，两个n区之间因为有P体阻挡，源极S和漏极D之间总有一个P－N结是反向而不能导电，S和D两点是不通的。这时S和D好象开关的两个断开的接点。
当栅极加上正电位时，栅极下面氧化层中产生电场，把P体中少量电子吸引到这里，形成一个导电层，使两个n区连通而导电，如图1（b）。这个导电层被称为沟道。由于它是通过电子导电的，称为n沟道。这种MOS管就叫做n沟道MOS管或NMOS管。这时如在D、S之间加上正电压，使D的电位比S高，就会有电流从D流向S，这个电流称为漏电流I\(_{DS}\)。这时S和D好象是开关的两个闭合的接点。可见，MOS管和晶体管一样，也可以成为一种电子开关，它是用改变栅极电位的方法控制开关的闭合或断开的。
对MOS管来说，刚开始形成沟道而使D、S导通的最小栅极电压值称为开启电压V\(_{T}\)。因为MOS管的绝缘层有极高的绝缘电阻，它的输入阻抗极高，一般为几十兆欧，它的栅极电流极小，可以认为是零。所以MOS管是一种电压控制元件，很象以前广泛使用的电子管。因此它和电子管一样，也是用跨导（Gm）来说明它的特性的。跨导的含义是指栅极电压每变化1伏引起漏、源之间电流的变化量。MOS管的跨导一般是几百微安／伏。
NMOS管的符号表示如图1（c）。S极上箭头的方向表示它的电流是从D流向S。
栅极电压为正时形成导电沟道的NMOS管，称为增强型NMOS管。由于制造工艺的不同，另一种NMOS管是在栅极电压为零时已经形成导电沟道，必须在栅极加上负电压才使沟道消失，这种NMOS管就称为耗尽型NMOS管。
如果改变使用的材料，例如用n型材料作衬底，在衬底上做两个P区作为源极和漏极，得到的就是PMOS管，如图2（a）。PMOS管是用空穴导电的，它的栅极和漏、源极之间加的是负电压，电流方向是从S流向D，因此它的符号中S极上的箭头是从外向里的，如图2（b）。有的时候，当整个电路使用的只是一种MOS管，例如全部是PMOS管或全部是NMOS管时，这个箭头也可以省略不画。同样，PMOS管也有增强型和耗尽型两种。
MOS集成逻辑电路
MOS集成逻辑电路就是用MOS管作基本元件组成的，例如：
（1） NMOS非门
用一个NMOS管和一个电阻可以组成非门，如图3（a）。图中T是n沟道增强型MOS管，R\(_{D}\)是漏极负载电阻，栅极G是输入端，漏极D是输出端。假定电源电压是+10伏，栅极开启电压是2伏，高电平“1”是10伏，低电平“0”是0伏。
①当输入为低电平，即U\(_{i}\)=0伏时，T截止，D、S间不通，相当于开关断开。这时输出为高电平，即Uo＝10伏，如图 3（b）。
②当输入为高电平，即U\(_{i}\)=10伏时，T导通，D、S间有电流流通，相当于开关闭合。这时输出为低电平，即Uo=0伏，如图3（c）。
可见这个电路能完成非门的逻辑功能。
为了工艺制造上的方便，实际电路中的负载电阻是用MOS管代替的，如图3（d）。因为T\(_{2}\)的栅极和电源相连，所以T2总是导通的。在这种情况下，T\(_{2}\)称为负载管，T1称为开关管或驱动管。
（2）CMOS非门
用一个PMOS管替换图3（d）中的负载管T\(_{2}\)，把两个管子的栅极并接在一起作为输入端A，T2的源极接到电源正端，T\(_{1}\)的源极接地，T2和T\(_{1}\)的漏极并接在一起作为输入端Q，就得到一个CMOS非门，如图4。因为这个电路既有PMOS管又有NMOS管，两者是互补关系，称为互补MOS非门或者简称CMOS非门。
①当输入A为低电平“0”时，对T\(_{1}\)来说，Ugs1=0，T\(_{1}\)截止；对T2来说，由于栅极电位比源极低：U\(_{gs2}\)=-ED，│U\(_{gs2}\)│>│VT│,所以T\(_{2}\)导通。于是P端为电源电压+ED，即输出成为高电平“1”。
②当输入A为高电平“1”时，对T\(_{1}\)来说，Ugs1＞V\(_{T}\)，T1导通；对T\(_{2}\)来说，栅极电位和源极相等：Ugs2＝0，T\(_{2}\)截止。于是Q端为地电位，即输出是低电平“0”。
可见从逻辑功能上分析，这是一个非门。
(3)NMOS与非门
用两个NMOS管串联起来作驱动管，一个NMOS管作负载管，可以组成一个NMOS与非门，如图5。两个驱动管的栅极就是与非门的输入A、B。
这个电路只有当输入A、B都是高电平“1”时，T\(_{1}\)、 T2才都导通，输出Q为低电子“0”。因此这是一个与非门，它的逻辑表达式是：
Q=A·B-
(4) CMOS与非门
用两个并联的PMOS管作负载管，两个串联的NMOS管作驱动管，负载管和驱动管的栅极分别接到输入端A、B上，如图6，就得到一个CMOS与非门。
当电路的输入端A和B都是高电平时，T\(_{1}\)、T2导通，T\(_{2}\)、T4截止，输出端Q为低电平。输入端A、B中只要有一个是低电平时，T\(_{1}\)、T2中必有一个不通，T\(_{3}\)、T4中必有一个导通，使输出端Q成为高电平。因此这是一个与非门，它的逻辑表达式是：
Q＝A·B-
(5)NMOS R－S触发器
用6个NMOS管就可以组成一个基本R－S触发器，如图7（a）。图中T\(_{1}\)、T2、T\(_{3}\)组成一个或非门，T4、T\(_{5}\)、T6组成另一个或非门。把T\(_{2}\)的栅极连到Q端，T5的栅极连到Q-端，使两个或非门交叉连接成一个基本R－S触发器，如图7（b）。
这个电路是用正脉冲触发的，它的逻辑功能：
①R端、S端加低电平，即R=0，S=0时，T\(_{1}\)、T4截止，触发器维持原态不变。
②R=0， S=1时，T\(_{4}\)截止，T1导通。由于T\(_{1}\)导通，使Q-=0，Q-交叉连接到T5栅极，使T\(_{5}\)截止（R=0也使T4截止），使Q=1。因此触发器置1。
③R=1，S=0时，T\(_{4}\)导通，T1截止。结果是Q=0，Q-=1，触发器置0。
④ R=1，S=1时，T\(_{1}\)、T4都导通。当触发脉冲拆除后由不平衡电流决定触发器的状态。所以触发器是“不定”状态。可见这是一个基本R－S触发器，它的特性见表1。
从以上介绍可见，MOS集成逻辑电路只需少量几个管子就可以组成门电路和触发器，它的集成度要比TTL电路高得多。
MOS集成逻辑电路的优点
下面通过CMOS和TTL电路部分性能的比较，可以看出MOS电路有许多优点。
（1）静态功耗低。TTL电路的静态电流较大，每个门消耗的功率大约是2～20毫瓦，而CMOS电路因为工作电流很小，每个门消耗的功率只有0.01毫瓦，相差一百多倍。
（2）输出高、低电平的差值大。例如当使用电源电压是10伏时，CMOS电路的输出高电平U\(_{QH}\)=9.9伏，输出低电平UQL=0.1伏。不仅电源电压得到充分利用，也提高了抗干扰能力。
（3）抗干扰性能好。说明抗干扰性能的参数叫做噪声容限。我们习惯上常把干扰电压叫做噪声电压，所以噪声容限实际是指容许的干扰电压的幅度。噪声容限数值大说明电路的抗干扰性能好。TTL电路的噪声容限只有零点几伏，大约是电源电压的16％。CMOS电路因为用较高的电源电压，高、低电平差值大，它的噪声容限可达到电源电压的30～45％。
（4）开关速度较高。MOS电路的速度一般比TTL电路为低。目前CMOS电路的速度已接近中、高速TTL电路的速度。
（5）扇出系数大。CMOS电路因为输入阻抗高，输出阻抗低，所以它的负载能力很强。TTL电路的扇出系数N\(_{0}\)一般为10，CMOS电路则在50以上。
（6）集成度高。由于MOS电路比TTL电路简单，所以集成度高，适宜于制作大规模和超大规模集成电路。
通过以上比较可以看到，CMOS电路除了在速度上还比不上TTL电路外，其它性能都超过了TTL电路，所以得到了广泛的应用。
与使用有关的3个特殊问题
（1）电波电压的极性和数值。TTL集成电路的电源是统一的+5伏。而MOS集成电路的电源电压和极性却是随着电路的类型而变化的：PMOS电路使用负电源，一般为-20伏；NMOS电路使用正电源，一般为+5伏；CMOS电路也是正电源，所用的电压有+5伏、+10伏或+15伏。因为TTL电路是正电源，所以一般都喜欢使用正电源的MOS电路，这样电路连接问题简单。
（2）安全问题。MOS管的输入阻抗极高，因此MOS集成电路中不使用的空余端子是不允许悬空的。因为输入端悬空会感应静电或受到外界的干扰，轻则使MOS电路工作失常，重则使栅极击穿损坏片子。所以对MOS集成数字电路多余的输入端应该接到电源端或高电平上（与门、与非门）。如图8（a）；或者接到地端或低电平上（或门、或非门），如图8（b）。
由于同样的原因，在存放和运输时，应该把MOS集成片用铝箔包好放在屏蔽盒内；在焊接时应使用功率不大于20瓦的烙铁并保证电烙铁有良好的接地；在测试时要使仪表外壳可靠接地等等。有时为了防止栅极击穿，也可以在输入端增加各种防护电路。
（3）电路连接问题。当MOS电路和其它电路连接时要注意并解决电平转换和驱动能力问题。
例如当TTL电路和CMOS电路连接时，TTL电路的输出高电平在电源电压是+5伏时，V\(_{OH}\)=2.4伏。CMOS电路的最小输入高电平在电源电压是+5伏时VIH＝3.5伏，电源是+10伏时，V\(_{IH}\)=7.0伏。因此必须把TTL电路的输出高电平提高到CMOS电路所要求的数值上才能使电路正常工作。提高的方法可以用电平转换电路或者采用能把电平值提升起来的CMOS集成接口电路。在驱动能力方面，因为TTL电路的驱动能力比CMOS电路大，所以可以不去考虑。
当CMOS电路和TTL电路连接时，因为CMOS电路输出电流小，带动TTL电路负载有困难，所以除了要解决电平转换问题外，还要考虑增大CMOS电路的驱动能力。具体方法可以使用带缓冲驱动器的MOS电路或者在CMOS电路后面加晶体管驱动级。
同样，在不同类型的MOS集成电路互相连接时以及MOS电路和显示器、晶体管电路、机电开关等连接时，也要考虑这些问题。
复习思考题
1．MOS管是怎样工作的？为什么把CMOS电路叫做互补MOS管电路？
2．分析图9中的CMOS集成逻辑电路，写出它们的逻辑表达式。
上期答案
2．T=1微秒，f=1兆赫。