本文將從導電溝道、電子遷移率和器件速度等多個方面來展開講解。
首先是在性能方面考慮:
與NMOS管驅(qū)動能力相同的一個PMOS管,其器件面積可能是NMOS管的2~3倍,然而器件面積會影響導通電阻、輸入輸出電容,而這些相關的參數(shù)容易導致電路的延遲。
同樣,在相同的尺寸條件下,PMOS管溝道導通電阻比NMOS要大一些,這樣開關導通損耗相應也會比NMOS管要大一些。
在溝道方面我們還可以進行再詳解:
NMOS 的溝道是由 n 型半導體構成,而PMOS 的溝道則是由 p 型半導體構成的。由于 n 型半導體的電子濃度比 p 型半導體高,所以 NMOS 的電子遷移率比 PMOS 高,也就是說,在相同的電場下,NMOS 中的電子速度比 PMOS 中的電子速度快。
在這里我們需要提到,由于有了遷移率的差別,才有速度與溝道導通電阻的差別,也正是如此,PMOS管的應用范圍受到限制。
在工藝方面,PMOS管與NMOS管的制造差異并不大,隨著工藝的不斷進步,這種差異也已經(jīng)越來越小。
那么,為什么MOS 的電子遷移率比 PMOS 高,NMOS 中的電子速度比 PMOS 中的電子速度快?
我們簡單先了解電子/空穴遷移率:
電子遷移率,指的是電子在電場力作用下運動快慢的物理量。
電子濃度相同的兩種半導體材料,一般情況下,在兩端施加相同的電壓,遷移率更大的那個半導體材料,它里面的電子運動速度越快,單位時間通過的電子數(shù)會越多,也就是說,電流越大。
因此我們可以解釋為,電子遷移率越高的半導體材料,其電阻率越低,在通過相同的電流時,其損耗會越小。
空穴遷移率與電子遷移率一樣,空穴遷移率越高,損耗越小。
不過在一般情況下(上面也有提到),電子的遷移率是要比空穴要高的。
這是因為空穴是電子的空位,空穴的運動,本質(zhì)上來講,是電子從一個空穴移動到另外一個空穴。
這里就要回來講NMOS和PMOS的導電溝道差異了。
MOS的載流子只有一種,電子或者空穴。在偏壓下會形成反型層作為導電溝道,也就是載流子的遷移路徑。
MOS管在導通時形成的是N型導電溝道,也就是說用來導電的是電子。而PMOS管導通,形成的是P型導電溝道,用來導電的是空穴。簡單筆記如下:
NMOS是N型溝道,載流子是電子;
PMOS是P型溝道,載流子是空穴。
一般而言,電子遷移速率是空穴遷移速率的五到十倍,根據(jù)材料和結(jié)構以及其本身特性的不同,這個倍數(shù)甚至會更高。
因為電子比空穴的遷移率要高,所以同體積大小與同摻雜的情況下,NMOS管的損耗要比PMOS管小很多。
除了功耗之外,電子/空穴遷移率還影響著器件的速度。
NMOS管的截止頻率(輸入/輸出=1時的頻率)
從結(jié)果會得出,截止頻率與電子遷移率成正比。
因此,電子遷移率越高,NMOS管可以在更高的頻率的情況下工作。
當NMOS的Vgs電壓高頻率變化時,形成的導電溝道的厚薄也會跟著發(fā)生變化。
這個導電溝道的變化是通過電子的移動來形成的,電子移動速度越快(換言之電子遷移率越高),那么導電溝道就能更快地響應Vgs的變化,其中的緣由涉及到NMOS管的工作原理。
這就說明,電子遷移率越高,器件的工作頻率越高。
同樣的,PMOS管也一樣。
除了以上講的幾個方面外,選擇NMOS管較多的還有其它因素,比如價格問題,市面上的PMOS一般會比NMOS的價格要高,這是因為市場經(jīng)濟方面多個因素構成的,在選擇MOS管時,NMOS在綜合考慮之后被選擇的要多的多。
對于NMOS管在實際應用中更受歡迎的原因,烜芯微做了個簡單總結(jié):
1. NMOS的溝道導通電阻要比PMOS小得多,其開關導通損耗較?。?/div>
2. NMOS是N型溝道,載流子是電子;PMOS是P型溝道,載流子是空穴。電子遷移速率比空穴遷移速率要快,在損耗方面與開關速度方面NMOS更有優(yōu)勢;
3. N型MOS管通過的電流能力相比PMOS會更大;
4.市面上的價格等因素影響
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