CMOS 是什麼？晶片裡的開關為什麼要兩種配成一對

CMOS 是現在幾乎所有數位晶片用的電路做法：把兩種動作相反的開關配成一對，一個負責把輸出接到電源，一個負責把輸出接到地。它的全名是「互補式金屬氧化物半導體」（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，也常簡稱互補式金氧半），兩種開關叫 NMOS 和 PMOS。這樣配，開關不切換的時候，電源到地之間幾乎沒有電流，所以很省電。

大家搜「CMOS」，也常看到另外兩種意思，名字都是從這裡借來的。相機、手機裡的「CMOS 感光元件」，是用同一套 CMOS 做法做出來的感光晶片。電腦主機板上的「CMOS 設定」，是因為早期的電腦把日期和開機設定存在一顆用 CMOS 做的小記憶體裡；它很省電，靠一顆鈕扣電池就能撐好幾年。這篇講的是第一種：晶片裡的電路。

CMOS 這個名字，拆開來是什麼意思？

先看後面的 MOS。這三個字母說的是一顆電晶體由上往下的三層：

• 金屬（Metal）：最上面控制開關的閘極，原本是用金屬做的。
• 氧化物（Oxide）：閘極底下一層很薄、不導電的絕緣層，原本是在爐管裡把矽的表面氧化，長出來的一層氧化矽。
• 半導體（Semiconductor）：最底下的矽，電就在這裡流。

後來材料換過好幾次：閘極有很長一段時間改用一種導電的矽，大約從 2000 年代後期起，最先進的晶片又換回金屬；絕緣層也換過材料。名字一直沒改。這三層怎麼變成一個開關，見「電晶體是什麼？」。

最前面的 C 是「互補」（Complementary）：開關有兩種，動作剛好相反，配在一起正好互相補上。

兩種開關，差在哪？

• NMOS（n 型的那一種）：閘極加上電壓才通，沒有電壓就斷。
• PMOS（p 型的那一種）：剛好相反。它的一頭接在電源那一邊，閘極要比這一頭低才通：閘極沒有電壓（0 伏特）就通，加上跟電源一樣高的電壓反而斷。

名字裡的 n、p，說的是它的入口和出口（源極、汲極）是 n 型還是 p 型的矽。n 型、p 型是在矽裡加進不同的原子做出來的，見「摻雜是什麼？」。

最簡單的 CMOS 電路：反相器怎麼動？

反相器只做一件事：輸入 1，輸出 0；輸入 0，輸出 1。它只要兩個開關：

• 上面一個 PMOS，接在輸出和電源之間。
• 下面一個 NMOS，接在輸出和地之間。地就是電壓最低（0 伏特）的那一邊。
• 兩個開關的閘極接在一起，就是輸入。

把輸出這條線想成一個小水池：一根水管通到高處的水塔（電源），一根通到低處的排水溝（地）。上面那根管子的閥門是 PMOS，下面那根是 NMOS。哪一根打開，水池的水位就跟那一邊一樣：水位高是 1，水位低是 0。

輸入	上面的 PMOS（接電源）	下面的 NMOS（接地）	輸出
1（電壓高）	斷	通	接到地：0
0（電壓低）	通	斷	接到電源：1

輸入是 1，閘極上有電壓：NMOS 通、PMOS 斷，輸出接到地，是 0。輸入是 0，反過來：PMOS 通、NMOS 斷，輸出接到電源，是 1。

所以晶片裡的 0 和 1，到底是什麼？

是一條線上電壓的高低：接到電源、電壓高，是 1；接到地、電壓低，是 0。不是哪一顆開關通了就是 1。

看上面那張表：輸入是 1 的時候，下面那顆開關明明通了，輸出卻是 0。開關的通或斷，決定的是這條線接到哪一邊。在 CMOS 裡，每一條輸出線穩定下來的時候，不是接到電源，就是接到地，所以它的電壓是清清楚楚的高或低。這條線再接到下一組開關的閘極，就成了下一組的輸入。

處理器這類會算的邏輯電路是這樣。記憶體就不一定：快閃記憶體讀一格資料時，倒真的是看那一個開關好不好打開（見「記憶體和處理器差在哪？」）。

為什麼要兩種配成一對？

因為省電。

如果只用一種開關，另一頭就得接一個像電阻一樣、一直半開著的東西，把輸出往電源拉。像水塔那根管子永遠開著一點：下面的閥門一打開，水就從水塔一路流進排水溝，只要輸出停在 0，就一直流。1970 年代做電腦用的晶片，很多是這樣做的：比較快，可是比較耗電。

CMOS 不一樣。不切換的時候，上下兩個開關總有一個是斷的，電源到地之間沒有一條通的路，幾乎沒有電流。電主要用在切換的那一下：水位從低變高，要把水池裝滿；從高變低，再把它放掉。這個水池，就是這條線，加上下一組開關的閘極。切換的一瞬間，兩個開關也會短暫地同時半開，流過一點電。

剩下的，是關不緊的開關在漏的電，叫漏電。一個開關漏得很少，可是一顆晶片裡有很多很多個，加起來就是待機電流，見「晶片為什麼會耗電？」。

就是因為省電，CMOS 在 1970 年代先用在電子錶、計算機這類靠小電池的東西上。到了 1980 年代，它成為數位晶片的主流；一直到現在，幾乎所有的數位晶片都用它。

其他的邏輯閘，也是這樣配嗎？

是的。反相器是最簡單的一個；把兩種開關串起來、並起來，就能做出其他的邏輯閘。串起來，要每一個都通，電才過得去；並起來，只要一個通就過得去。CMOS 的做法是：接地的那一邊串起來，接電源的那一邊就並起來，反過來也一樣。這樣不管輸入是什麼，穩定下來的時候，還是只有一邊是通的，一樣省電。邏輯閘怎麼組成會算的晶片，見「邏輯閘是什麼？」。

兩種開關，怎麼做在同一片晶圓上？

NMOS 要做在 p 型的矽上，PMOS 要做在 n 型的矽上：入口、出口和底下的矽要是相反的兩種，平常才是斷的。所以做晶片時，要先在同一片晶圓上做出 p 型、n 型兩種「底」，叫做井。先用光阻蓋住一邊，打進一種原子；換一層光阻，再打另一種（怎麼打，見「離子植入是什麼？」）。之後兩種開關的入口和出口，也要分開打。一顆電晶體從頭到尾怎麼做，見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」。

在 fab24hr 裡

fab24hr 的主線「晶片的一生」，跟著一顆虛構的助聽器晶片「螢火」走。兩種開關，在好幾個地方都看得到：

• 第 1 章「12 片怎麼分」：你是研發整合工程師，要決定 12 片晶圓各做成哪一種角落。分片表上的 SF 是 N 型偏慢、P 型偏快，FS 反過來：兩種開關一快一慢，步調對不上。
• 第 2 章「一站一站」：第 5 天在植入機前，先打 N 型的井，換一層光阻，再打 P 型的井。
• 第 10 章「待機電流」：你是封測廠的測試工程師。bin 上最多的不良是待機電流太高；上限要卡緊還是放寬，由你決定，再寫進測試程式。CMOS 不動的時候幾乎不耗電，剩下的就是漏電；客戶說，這是螢火最重要的一個數字。

「打工人的一天」也有：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」、左右滑到研發製程工程師，名字下面點「植入」。深夜班打的是 N 型電晶體兩端的原子，午班打 P 型的那一次。

遊戲裡的公司、晶片、人物和數字都是虛構的；CMOS 怎麼動、為什麼省電，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。