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NMOS管為什么比PMOS管更受親睞

發(fā)布時(shí)間：2024-12-26 19:28:50
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NMOS管為什么比PMOS管更受親睞

本文將從導(dǎo)電溝道、電子遷移率和器件速度等多個(gè)方面來展開講解。

首先是在性能方面考慮：

與NMOS管驅(qū)動(dòng)能力相同的一個(gè)PMOS管，其器件面積可能是NMOS管的2～3倍，然而器件面積會(huì)影響導(dǎo)通電阻、輸入輸出電容，而這些相關(guān)的參數(shù)容易導(dǎo)致電路的延遲。

同樣，在相同的尺寸條件下，PMOS管溝道導(dǎo)通電阻比NMOS要大一些，這樣開關(guān)導(dǎo)通損耗相應(yīng)也會(huì)比NMOS管要大一些。

在溝道方面我們還可以進(jìn)行再詳解：

NMOS 的溝道是由 n 型半導(dǎo)體構(gòu)成，而PMOS 的溝道則是由 p 型半導(dǎo)體構(gòu)成的。由于 n 型半導(dǎo)體的電子濃度比 p 型半導(dǎo)體高，所以 NMOS 的電子遷移率比 PMOS 高，也就是說，在相同的電場(chǎng)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(dǎo)通電阻的差別，也正是如此，PMOS管的應(yīng)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(jìn)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(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。
NMOS管 PMOS管

電子濃度相同的兩種半導(dǎo)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(gè)半導(dǎo)體材料，它里面的電子運(yùn)動(dòng)速度越快，單位時(shí)間通過的電子數(shù)會(huì)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(dǎo)體材料，其電阻率越低，在通過相同的電流時(shí)，其損耗會(huì)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?yàn)榭昭ㄊ请娮拥目瘴?，空穴的運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上來講，是電子從一個(gè)空穴移動(dòng)到另外一個(gè)空穴。

這里就要回來講NMOS和PMOS的導(dǎo)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(huì)形成反型層作為導(dǎo)電溝道，也就是載流子的遷移路徑。

MOS管在導(dǎo)通時(shí)形成的是N型導(dǎo)電溝道，也就是說用來導(dǎo)電的是電子。而PMOS管導(dǎo)通，形成的是P型導(dǎo)電溝道，用來導(dǎo)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(gòu)以及其本身特性的不同，這個(gè)倍數(shù)甚至?xí)摺?/div>

因?yàn)殡娮颖瓤昭ǖ倪w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 PMOS管

NMOS管的截止頻率（輸入/輸出=1時(shí)的頻率）

從結(jié)果會(huì)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(dāng)NMOS的Vgs電壓高頻率變化時(shí)，形成的導(dǎo)電溝道的厚薄也會(huì)跟著發(fā)生變化。

這個(gè)導(dǎo)電溝道的變化是通過電子的移動(dòng)來形成的，電子移動(dòng)速度越快（換言之電子遷移率越高），那么導(dǎo)電溝道就能更快地響應(yīng)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(gè)方面外，選擇NMOS管較多的還有其它因素，比如價(jià)格問題，市面上的PMOS一般會(huì)比NMOS的價(jià)格要高，這是因?yàn)槭袌?chǎng)經(jīng)濟(jì)方面多個(gè)因素構(gòu)成的，在選擇MOS管時(shí)，NMOS在綜合考慮之后被選擇的要多的多。

對(duì)于NMOS管在實(shí)際應(yīng)用中更受歡迎的原因，烜芯微做了個(gè)簡單總結(jié)：

1. NMOS的溝道導(dǎo)通電阻要比PMOS小得多，其開關(guān)導(dǎo)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(guān)速度方面NMOS更有優(yōu)勢(shì)；

3. N型MOS管通過的電流能力相比PMOS會(huì)更大；

4.市面上的價(jià)格等因素影響
NMOS管 PMOS管

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