現代單片機主要是採用CMOS工藝製成的。
01
MOS管
MOS管又分為兩種類型：N型和P型。
如下圖所示：
以N型管為例，2端為控制端，稱為「柵極」;3端通常接地，稱為「源極」;源極電壓記作Vss，1端接正電壓，稱為「漏極」，漏極電壓記作VDD。要使1端與3端導通，柵極2上要加高電平。
對P型管，柵極、源極、漏極分別為5端、4端、6端。要使4端與6端導通，柵極5要加低電平。
在CMOS工藝製成的邏輯器件或單片機中，N型管與P型管往往是成對出現的。同時出現的這兩個CMOS管，任何時候，只要一隻導通，另一隻則不導通(即「截止」或「關斷」)，所以稱為「互補型CMOS管」。
02
CMOS邏輯電平
高速CMOS電路的電源電壓VDD通常為+5V；Vss接地，是0V。
高電平視為邏輯「1」，電平值的範圍為：VDD的65%～VDD(或者VDD-1.5V～VDD)
低電平視作邏輯「0」，要求不超過VDD的35%或0～1.5V。
+1.5V～+3.5V應看作不確定電平。在硬體設計中要避免出現不確定電平。
近年來，隨著亞微米技術的發展，單片機的電源呈下降趨勢。低電源電壓有助於降低功耗。VDD為3.3V的CMOS器件已大量使用。在可攜式應用中，VDD為2.7V，甚至1.8V的單片機也已經出現。將來電源電壓還會繼續下降，降到0.9V，但低於VDD的35%的電平視為邏輯「0」，高於VDD的65%的電平視為邏輯「1」的規律仍然是適用的。
03
非門
非門(反向器)是最簡單的門電路，由一對CMOS管組成。其工作原理如下：
A端為高電平時，P型管截止，N型管導通，輸出端C的電平與Vss保持一致，輸出低電平;A端為低電平時，P型管導通，N型管截止，輸出端C的電平與VDD一致，輸出高電平。
04
與非門
與非門工作原理：
、A、B輸入均為低電平時，1、2管導通，3、4管截止，C端電壓與VDD一致，輸出高電平。
、A輸入高電平，B輸入低電平時，1、3管導通，2、4管截止，C端電位與1管的漏極保持一致，輸出高電平。
、A輸入低電平，B輸入高電平時，情況與類似，亦輸出高電平。
、A、B輸入均為高電平時，1、2管截止，3、4管導通，C端電壓與地一致，輸出低電平。
05
或非門
或非門工作原理：
、A、B輸入均為低電平時，1、2管導通，3、4管截止，C端電壓與VDD一致，輸出高電平。
、A輸入高電平，B輸入低電平時，1、4管導通，2、3管截止，C端輸出低電平。
、A輸入低電平，B輸入高電平時，情況與類似，亦輸出低電平。
、A、B輸入均為高電平時，1、2管截止，3、4管導通，C端電壓與地一致，輸出低電平。
註：將上述「與非」門、「或非」門邏輯符號的輸出端的小圓圈去掉，就成了「與」門、「或」門的邏輯符號。而實現「與」、「或」功能的電路圖則必須在輸出端加上一個反向器，即加上一對CMOS管，因此，「與」門實際上比「與非」門複雜，延遲時間也長些，這一點在電路設計中要注意。
06
三態門
三態門的工作原理：
當控制端C為「1」時，N型管3導通，同時，C端電平通過反向器後成為低電平，使P型管4導通，輸入端A的電平狀況可以通過3、4管到達輸出端B。
當控制端C為「0」時，3、4管都截止，輸入端A的電平狀況無法到達輸出端B，輸出端B呈現高電阻的狀態，稱為「高阻態」。
這個器件也稱作「帶控制端的傳輸門」。帶有一定驅動能力的三態門也稱作「緩衝器」，邏輯符號是一樣的。
註：從CMOS等效電路或者真值表、邏輯表達式上都可以看出，把「0」和「1」換個位置，「與非」門就變成了「或非」門。對於「1」有效的信號是「與非」關係，對於「0」有效的信號是「或非」關係。
上述圖中畫的邏輯器件符號均是正邏輯下的輸入、輸出關係，即對「1」(高電平)有效而言。而單片機中的多數控制信號是按照負有效(低電平有效)定義的。例如片選信號CS(Chip Select)，指該信號為「0」時具有字符標明的意義，即該信號為「0」表示該晶片被選中。因此，「或非」門的邏輯符號也可以畫成下圖。
07
組合邏輯電路
「與非」門、「或非」門等邏輯電路的不同組合可以得到各種組合邏輯電路，如解碼器、解碼器、多路開關等。
組合邏輯電路的實現可以使用現成的集成電路，也可以使用可編程邏輯器件，如PAL、GAL等實現。