NMOS在实际应用中为何比PMOS要更受欢迎。本文将从导电沟道、电子迁移率和器件速度等多个方面来展开讲解。
首先是在性能方面考虑:
与NMOS管驱动能力相同的一个PMOS管,其器件面积可能是NMOS管的2~3倍,然而器件面积会影响导通电阻、输入输出电容,而这些相关的参数容易导致电路的延迟。
同样,在相同的尺寸条件下,PMOS管沟道导通电阻比NMOS要大一些,这样开关导通损耗相应也会比NMOS管要大一些。
在沟道方面我们还可以进行再详解:
NMOS 的沟道是由 n 型半导体构成,而PMOS 的沟道则是由 p 型半导体构成的。由于 n 型半导体的电子浓度比 p 型半导体高,所以 NMOS 的电子迁移率比 PMOS 高,也就是说,在相同的电场下,NMOS 中的电子速度比 PMOS 中的电子速度快。
在这里我们需要提到,由于有了迁移率的差别,才有速度与沟道导通电阻的差别,也正是如此,PMOS管的应用范围受到限制。
在工艺方面,PMOS管与NMOS管的制造差异并不大,随着工艺的不断进步,这种差异也已经越来越小。
那么,为什么MOS 的电子迁移率比 PMOS 高,NMOS 中的电子速度比 PMOS 中的电子速度快?
我们简单先了解电子/空穴迁移率:
电子迁移率,指的是电子在电场力作用下运动快慢的物理量。
电子浓度相同的两种半导体材料,一般情况下,在两端施加相同的电压,迁移率更大的那个半导体材料,它里面的电子运动速度越快,单位时间通过的电子数会越多,也就是说,电流越大。
因此我们可以解释为,电子迁移率越高的半导体材料,其电阻率越低,在通过相同的电流时,其损耗会越小。
空穴迁移率与电子迁移率一样,空穴迁移率越高,损耗越小。
不过在一般情况下(上面也有提到),电子的迁移率是要比空穴要高的。
这是因为空穴是电子的空位,空穴的运动,本质上来讲,是电子从一个空穴移动到另外一个空穴。
这里就要回来讲NMOS和PMOS的导电沟道差异了。
MOS的载流子只有一种,电子或者空穴。在偏压下会形成反型层作为导电沟道,也就是载流子的迁移路径。
MOS管在导通时形成的是N型导电沟道,也就是说用来导电的是电子。而PMOS管导通,形成的是P型导电沟道,用来导电的是空穴。简单笔记如下:
NMOS是N型沟道,载流子是电子;
PMOS是P型沟道,载流子是空穴。
一般而言,电子迁移速率是空穴迁移速率的五到十倍,根据材料和结构以及其本身特性的不同,这个倍数甚至会更高。
因为电子比空穴的迁移率要高,所以同体积大小与同掺杂的情况下,NMOS管的损耗要比PMOS管小很多。
除了功耗之外,电子/空穴迁移率还影响着器件的速度。
NMOS管的截止频率(输入/输出=1时的频率)
从结果会得出,截止频率与电子迁移率成正比。
因此,电子迁移率越高,NMOS管可以在更高的频率的情况下工作。
当NMOS的Vgs电压高频率变化时,形成的导电沟道的厚薄也会跟着发生变化。
这个导电沟道的变化是通过电子的移动来形成的,电子移动速度越快(换言之电子迁移率越高),那么导电沟道就能更快地响应Vgs的变化,其中的缘由涉及到NMOS管的工作原理。
这就说明,电子迁移率越高,器件的工作频率越高。
同样的,PMOS管也一样。
除了以上讲的几个方面外,选择NMOS管较多的还有其它因素,比如价格问题,市面上的PMOS一般会比NMOS的价格要高,这是因为市场经济方面多个因素构成的,在选择MOS管时,NMOS在综合考虑之后被选择的要多的多。
对于NMOS管在实际应用中更受欢迎的原因,微碧做了个简单总结:
1. NMOS的沟道导通电阻要比PMOS小得多,其开关导通损耗较小;
2. NMOS是N型沟道,载流子是电子;PMOS是P型沟道,载流子是空穴。电子迁移速率比空穴迁移速率要快,在损耗方面与开关速度方面NMOS更有优势;
3. N型MOS管通过的电流能力相比PMOS会更大;
4.市面上的价格等因素影响
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