数字电路的基础概念：MOS晶体管

对于从事芯片行业的人员来说，还是有必要了解数字电路中的一些基本概念，例如用作逻辑开关的 MOS 晶体管。当然，我们的目的是了解现代芯片中的行为本质，而不需要陷入半导体物理方程。

所有数字电路的基本组件是MOS晶体管。MOS是Metal-Oxid-Semiconductor金属氧化物体的首字母缩写，表示制造晶体管所用的制造工艺。有三个端口:栅极 (G)、漏极 (D) 和源极 (S)。

栅极是一个控制输入:它控制源极和漏极之间的电流流动。MOS晶体管有两种类型:nMOS和pMOS。上图显示了两个MOS晶体管的符号。

MOS晶体管作为开关

首先考虑nmos晶体管。如果栅极接地 (逻辑0),则漏极和源极之间没有电流流动。因此，我们说晶体管是关的，对应于逻辑0。如果栅电压高，则从源极到漏极电流可以流动。我们说晶体管是开着的，对应于逻辑1。

PMOS晶体管正好相反。当栅极处于与逻辑1相对应的正电压时没有电流流，晶体管处于OFF状态。与逻辑0相对应的足够低的栅电压则会形成从源极到漏极的导通路径，因此晶体管处于ON状态。

总之，MOS晶体管的栅极控制源极和漏极之间的电流流动，使我们可以将MOS晶体管视为ON/OFF开关。

当nMOS晶体管的栅极为1时，晶体管是接通的，电流在源极和漏极之间流动。当栅极为0时，nMOS晶体管关闭,源极和漏极之间没有电流流动。pMOS晶体管正好相反，当栅极电压为低时接通，当栅极高时关断。

CMOS作为反相器

使用MOS晶体管建立的最简单的逻辑门是反相器。反相器由两个互补MOS晶体管组成，一个是nMOS，一个是pMOS，互补MOS(CMOS)反相器因此而得名。下图显示了使用一个nMOS晶体管和一个pMOS晶体管的CMOS反相器或"非"门的原理图和开关级模型。

输入IN连接两个晶体管的门。当输入IN为0时,nMOS晶体管为OFF,而pMOS晶体管为ON。因此，输出OUT被拉到逻辑1,因为它通过pMOS晶体管连接到Vdd。相反，当IN为1时，nMOS为ON,PMOS为OFF，而OUT则被拉低到“0”,因为它通过nMOS晶体管与GND相连。

到这里，我们的数字电路可以完成一些最基本的逻辑功能，但是还不能够存储信息。

双稳态元件

现在我们已经熟悉了MOS晶体管和CMOS反相器,是时候学习如何在MOS数字电路中存储1bit信息了，即如何使用MOS晶体管和反相器形成一个1位存储单元。存储器的基本组件是双稳态元件，即具有两个稳定状态的逻辑元件。下图显示了由两个反相器I1和I2组成的双稳态元件。反相器是交叉耦合的，这意味着11的输入是I2的输出，反之亦然。

如果Q=0，12接收到一个False输入，在输出上产生一个TRUE输出。11接收到一个TRUE输入，在输出上产生一个False输出。这与最开始的输入Q=0是一致的，所以电路处于稳态。

如果Q=1,12接收一个TRUE输入，在输出上产生一个FALSE输出。11接收一个FALSE输入，在输出上产生一个TRUE输出。与最初的输入Q=1是一致的，所以同样电路处于稳态。

因为交叉耦合反相器有两个稳定状态,0和1,所以电路被称为双稳态。交叉耦合反相器的状态包含在一个二进制状态变量Q中。具体来说，如果Q=0，它将永远保持0，如果Q=1，它将永远维持1。

虽然交叉耦合反相器可以存储一点信息，但它们不实用,因为用户没有输入来控制状态。因此，我们必须用电路来扩展双稳态元件，它提供输入以控制状态变量的值。一个这样的元件，可以接受输入来控制存储在双稳态的值是一个静态RAM单元。

后续我们再介绍SRAM和DRAM。

到这里，虽然不够实用，但是我们已经可以使用MOS晶体管设计组合逻辑和时序逻辑了，这是芯片科技的关键一步。