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来源:KIA半导体发布时间:2023-01-0610717浏览
询问 AI关于NMOS管、PMOS管
NMOS是N型沟道，P型衬底，衬底接最低电位，PMOS是P型沟道，N型衬底接最高电位。
这样是为了源漏端和衬底形成P-N结反偏，不然电流从源漏端直接正向导通到地。击穿说的也是这个P-N结反向击穿。因为沟道和衬底的材料不同，所以栅压变化才会有耗尽层-反型层形成的说法。
NMOS的沟道材料是N型，而衬底材料是P型，所以栅极需要加正电压，才能排斥P型衬底里的空穴，吸引电子聚集在沟道的下方，和栅极的金属板构成栅电容。
电容的介质材料是SiO2。PMOS的沟道材料是P型，而衬底材料是N型，要想在N型材料里吸引空穴的话，自然栅极应该加负电压。和NMOS栅极正电压越大，沟道的导电能力越强一样，PMOS是栅极电压负向越大，沟道导电能力越强。
为什么NMOS管比PMOS管用得更多？
一个与NMOS管驱动能力相同的PMOS管，但需要的器件面积可能是NMOS管的2～3倍，而且器件面积会影响导通电阻、输入输出电容，而这些参数会影响电路的延迟。
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。
正是因为迁移率的差别才有速度与沟道导通电阻的差别，才导致PMOS管的应用范围受到限制，这样PMOS的市场用量必然不如NMOS管，从工艺上来讲，PMOS管与NMOS管的制造并无多大不同，但市场经济的杠杆总是无处不在的，所以PMOS管比NMOS管贵很大一部分也是由市场决定的（材料成本低并不总意味着价格低），而不能简单地认为：因为PMOS管与NMOS管贵，所以应用场合少。
详细了解下文中参数的含义，那么也就理解得差不多了。
禁带宽度
首先来看禁带宽度，这个参数是从能带模型里面来的。
固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
以硅晶体来举例
硅原子最外层含有4个电子，硅原子与硅原子之前通过共享电子形成晶体，这个“共享电子”也可以叫做形成化学键。形成化学键后，电子不能自由移动，所以不能导电。
这些形成的化学键的电子的能量是各不相同的，但他们有个特点，都处于一个范围，这个范围就叫价带。
如果这些化学键的电子获得了能量，从里面跑出来了，那它就成了自由电子。
电子离开的地方形成了一个空位，所以构成了空穴，这两者都是可以导电的。同样的，所有这些自由电子的能量也各不相同，但是它们都处于一个范围，这个范围就叫导带。
可以看到，这个导带和价带中间是有间隔的，这个间隔就是禁带。禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量。
禁带宽度越大，价电子必须获得比较高的能量，才能从化合键里面出来成为自由电子。所以禁带宽度越大，能够因为分子热运动成为自由电子的数量越少，导电性能越差。
在这之前，我们来复习一下PN结，因为做晶体管必然少不了PN结。
我们知道，PN结反偏是有漏电流的，这个漏电流是由少子的扩散形成的，虽然很少，但是会有。
也就是说，会有电子从中间的内建电场区经过。并且，电子会在这个区域被加速。
如果电压足够大，场强足够高，那么电子会被加速到较高的能量与原子相撞，原本在化学键里的电子会被撞出来成为自由电子。这个新产生的自由电子又受到电场力加速，去撞击其它的原子产生新的自由电子。
这样“一生二，二生四，大量的自由电子产生，电流急剧增大，这也就是“雪崩击穿”。
如果说禁带宽度比较大，价电子被束缚的比较紧，那么就不容易被撞出来了。
所以禁带宽度大，能抗住的场强也就越高，耐压也就越高。同等耐压的器件，PN结就可以做得更薄，器件也能更小，又会带来寄生电容小的好处，器件也就能在更高的频率工作。
当温度上升，电子更容易获得能量。当温度上升到一定程度的时候，会有很多化学键里面的电子获得足够的能量变成自由电子，这样就破坏了半导体的特性。
试想一下，温度上升，自己产生的载流子比掺杂产生的载流子数量还多，那掺杂也就失去了意义，晶体管的功能也就失效了。
禁带宽度越大，需要升到更高的温度才能使化学键里面的电子变成自由电子，也就是说能工作在更高的温度。
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，在两端施加相同的电压，那个迁移率更大的半导体材料，它里面的电子运动速度越快，单位时间通过的电子数不就越多吗？也就是说，电流越大。
这就说明了电子迁移率越高的半导体材料，电阻率越低，通过相同的电流，损耗越小。
空穴迁移率与电子迁移率一样，空穴迁移率越高，损耗越小。但是一般说来，电子的迁移率是要比空穴要高，因为空穴是电子的空位，空穴的运动，本质上是电子从一个空穴移动到另外一个空穴。
从上表可以看到，硅材料的电子迁移率要比空穴迁移率高几倍，这也是为什么NMOS管比PMOS管用得多的主要原因。
NMOS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。
因为电子比空穴的迁移率要高，所以，同体积大小，同掺杂的情况下，NMOS管的损耗要比PMOS管小不少。
除了功耗之外，电子/空穴迁移率还影响什么呢？器件的速度
这是NMOS管的截止频率（输入/输出=1时的频率）
从最终的结果可以看到，截止频率与电子迁移率成正比。也就是说，电子迁移率越高，做出的NMOS管可以工作在更高的频率。
NMOS管的工作原理，是通过控制导电沟道，以此来控制源漏电流。在栅极加上正电压Vgs，衬底的电子会被带正电的栅极吸引，电子充斥在源端和漏端之间，形成了导电沟道，两边就可以通了。
当Vgs电压以高频率变化的时候，形成的导电沟道的厚薄也会变化。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（电子迁移率越高），那么导电沟道就能更快的响应Vgs的变化。所以说，电子迁移率越高，器件的工作频率越高。
同样的，PMOS管的工作速度，应该与空穴迁移率的大小正相关。
总的来说，电子迁移率越高，晶体管的功耗越小，速度越快。
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，即载流子的迁移路径。NMOS是N型沟道，载流子是电子，PMOS是P型沟道，载流子是空穴。
管子的功能发挥或者特性研究，主要是研究载流子的迁移。一般而言，电子迁移速率是空穴迁移速率的五到十倍，根据材料和结构已经外特性的不同，这个倍数甚至更高。
而载流子的迁移速率又直接影响到器件特性，所以，NMOS结构比PMOS结构的响应更好，更直接的，响应速度更快。
为什么NMOS管占据主导地位，PMOS管较少，主要有几个方面的原因:
1. N型MOS管由于自身的原因，开关速度很快。
2. P型MOS管由于工艺的影响，没有N型MOS管快，因此开关损耗就会比N型MOS管大，发热量就会比N型MOS大。
3. N型MOS管耐压比较高，P型MOS相对N型MOS来说比较低，所以高压的应用场合很少看到P型MOS管。更多的是N型管。
4. N型MOS管通过的电流能力比较大，而P型MOS通过的电流能力相对于N型MOS管来说比较小。
总结：考虑到电路的性能参数，在符合要求的情况下，我们从考虑电路的简单角度，才会选用PMOS管，正常情况下我们一般选择NMOS管。
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