PMOS邏輯

PMOS或pMOS邏輯電路，源自p溝道金屬氧化物半導體 （P-channel Metal-Oxygen-Semiconductor），是一種基於p溝道增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）的數字電路。在20世紀60年代末到70年代初，PMOS邏輯電路曾是大規模積體電路的主流半導體技術，後來被NMOS和CMOS器件取代。

## 歷史和應用

1959年，Mohamed Atalla和Dawon Kahng在貝爾實驗室製造出第一個可用的MOSFET。他們同時製造了PMOS和NMOS器件，但其中只有PMOS器件能夠工作。直到十多年後，製造過程中的污染物（尤其是鈉）才得到有效控制，從而可以製造出實用的NMOS器件。

與當時可用於積體電路的唯一替代品雙極性電晶體（BJT）相比，MOSFET具有許多優點：

- 在精度相似的半導體器件製造工藝下，MOSFET所需面積僅為雙極結型電晶體的10%。主要原因是MOSFET是自絕緣的，不需要與晶片上的相鄰組件進行p-n結隔離。
- MOSFET需要的工藝步驟更少，因此製造起來更簡單、更便宜（MOSFET只需要一個擴散摻雜步驟，而BJT需要四個步驟）。
- 由於MOSFET沒有靜態柵極電流，因此基於MOSFET的積體電路的功耗可以較低。

與雙極積體電路相比，其缺點是：

- 由於柵極電容較大，開關速度相當低。
- 早期MOSFET的高閾值電壓導致最低電源電壓較高（-24 V至-28 V）。

1964年，通用微電子公司推出了第一個商用PMOS電路——一個帶有120個MOSFET的20位移位寄存器，在當時其集成度之高令人難以置信。1965年，通用微電子公司試圖為Victor Comptometer的Victor 3900電子計算器開發一組定製積體電路，共23個。但考慮到當時 PMOS電路的可靠性，這個嘗試被證明是難以實現的，最終導致了通用微電子公司的倒閉。其他公司則繼續使用PMOS技術生產如大型移位寄存器（通用儀器）或模擬多路復用器3705（仙童半導體）之類的電路，這些電路在當時的BJT技術下是不可行的。

1968年，多晶矽自對準柵極技術的引入給PMOS技術帶來了一項重大改進。仙童半導體公司的Tom Klein和Federico Faggin改進了自對準柵極工藝，使其在商業上具有可行性，並發布了第一個矽柵極積體電路——模擬多路復用器3708。自對準柵極工藝使製造公差更小，從而既可以製造更小的MOSFET，又可以降低柵極電容並保持柵極電容的一致。例如，對於PMOS存儲器，該技術可以使晶片面積減半，速度提升至三到五倍。多晶矽柵極材料不僅可以實現自對準柵極，還可以降低閾值電壓，從而降低最小電源電壓（例如降至-16 V），以此降低功耗。由於電源電壓較低，矽柵極PMOS邏輯通常被稱為低壓PMOS，而較老的金屬柵極PMOS則被稱為高壓PMOS。

由於種種原因，仙童半導體公司未能按照相關管理人員的意願深入推進PMOS積體電路的開發。其中兩位高管，戈登·摩爾（Gordon Moore）和羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce），於1968年決定創辦自己的初創公司——英特爾。不久之後，包括費德里科·法金（Federico Faggin）和萊斯·瓦達斯（Les Vadasz）在內的其他仙童工程師也加入了他們的行列。英特爾於1969年推出了首款256位PMOS靜態隨機存取存儲器（SRAM），即Intel 1101。1024位動態隨機存取存儲器Intel 1103於 1970年問世。1103取得了商業上的成功，並迅速開始取代電腦中的磁芯存儲器。英特爾於1971年推出了其第一款PMOS微處理器Intel 4004。許多公司紛紛效仿英特爾。大多數早期的微處理器都是採用PMOS技術製造的，例如：英特爾的4040和8008；美國國家半導體的IMP-16、PACE和SC/MP；德州儀器的TMS1000；羅克韋爾國際公司的PPS-4和PPS-8。上述微處理器中有多個系列達成了商業上的「第一」：第一個4位微處理器（4004）、第一個8位微處理器（8008）、第一個單晶片16位微處理器（PACE）和第一個單晶片4位微控制器（TMS1000；RAM和ROM與CPU位於同一晶片上）。

1972年，NMOS技術終於發展到可商用的程度。英特爾和IBM都推出了其設計/製造的1 kbit記憶體晶片。由於NMOS MOSFET的n型溝道中的電子遷移率大約是PMOS MOSFET的p型溝道中空穴遷移率的三倍，所以NMOS邏輯電路與PMOS電路相比開關速度更高。因此，NMOS邏輯迅速開始取代PMOS邏輯。到20世紀70年代末，NMOS微處理器已經超越了PMOS處理器。PMOS邏輯由於其低成本和相對較高的集成度，在一段時間內仍用於簡單計算器和時鐘等。CMOS技術的功耗比PMOS或NMOS都要低得多。儘管弗蘭克·萬拉斯（Frank Wanlass）早在1963年就提出了CMOS電路的構想，RCA公司的商用4000系列CMOS積體電路也於1968年投入生產，但CMOS的製造仍然很複雜，既達不到PMOS或NMOS的集成度，也達不到NMOS的速度。直到20世紀80年代，CMOS才取代NMOS成為微處理器的主要技術。

## 描述

與NMOS和CMOS替代方案相比，PMOS電路具有許多缺點：需要多個不同的電源電壓（正負電源電壓）、導通狀態下的功耗較高以及尺寸相對較大。此外，PMOS電路的整體開關速度較低。

PMOS使用p溝道(+)金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET) 來實現邏輯門和其他數字電路。PMOS電晶體的工作原理是在n型電晶體基底中創建一個反型層。這個反型層稱為p溝道，可以在p型「源極」和「漏極」之間傳導空穴。

通過在第三個端子（稱為柵極）施加負電壓（常用-25V），可以創建p溝道。與其他MOSFET 一樣，PMOS電晶體具有四種工作模式：截止區（或亞閾值）、三極體區（恆流區）、飽和區（有時稱為導通區或線性電阻區）和速度飽和區。

雖然PMOS邏輯電路易於設計和製造（MOSFET可以用作電阻，因此整個電路可以用PMOS場效應電晶體構成），但它也存在一些缺點。在其缺陷中，最嚴重的是，當所謂的「上拉網路」（PUN）處於導通狀態時，即輸出為高電平時，PMOS邏輯門中會有直流電流，這會導致即使在電路空閒時也會產生靜態功耗。

此外，PMOS電路從高電平到低電平的轉換速度較慢。從低電平轉換到高電平時，電晶體的電阻較低，輸出端的電容電荷積累非常快（類似於通過非常低的電阻給電容器充電）。但是，輸出端和負電源軌之間的電阻要大得多，因此從高電平到低電平的轉換需要更長的時間（類似於通過高電阻給電容器放電）。使用較低阻值的電阻可以加快轉換速度，但也會增加靜態功耗。

此外，不對稱的輸入邏輯電平使PMOS電路易受噪聲影響。

大多數PMOS積體電路需要使用17-24伏直流電源。但英特爾 4004 PMOS微處理器沒有採用金屬柵極，而是採用多晶矽柵極的PMOS邏輯，從而可以使用較小的電源電壓差。為了兼容TTL信號，4004使用的正電源電壓為VSS = +5V，負電源電壓為VDD = -10V。

## 邏輯門

p型MOSFET被布置在邏輯門輸出和正電源電壓之間的所謂「上拉網路」（PUN）中，同時在邏輯門輸出和負電源電壓之間放置一個電阻。該電路的設計使得如果所需輸出為高電平，則PUN將處於導通狀態，從而在正電源和輸出之間形成電流通路。

PMOS門的元件排列方式與將所有電壓反轉的NMOS門相同。因此，對於高電平有效邏輯，德摩根定律表明，PMOS或非門與NMOS與非門具有相同的結構，反之亦然。