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(jiǎn)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。
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(jiǎn)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(jiǎn)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)通損耗較小;
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
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