NMOS против PMOS: всестороннее сравнение

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) стали фундаментальными в качестве строительных блоков цифровых и аналоговых схем в современной электронике. МОП-транзисторы можно далее классифицировать на два основных типа: NMOS (N-канальный МОП-транзистор) и PMOS (P-канальный МОП-транзистор), каждый тип демонстрирует различные свойства и варианты использования. Важно понимать их различия в разработке эффективных схем, а в технологии КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник) они также логически объединены.

В этом руководстве вы узнаете о NMOS и PMOS, их символах, направлении тока, пороговых напряжениях, структуре, работе и применении.

Что такое NMOS и PMOS транзисторы?

NMOS (N-канальный МОП-транзистор): Форма МОП-транзистора, который содержит полупроводниковый материал n-типа в канале. Если приложено напряжение затвора, то ток течет.

PMOS (P-канальный МОП-транзистор): МОП-транзистор, построенный с p-типом или p-каналом. Он проводит в ответ на отрицательное напряжение затвора (меньше порогового).

Эффект тела

Эффект тела — это эффект (обратного) смещения между исходным соединением и телом (или выводом подложки), приводящий к изменению порога.

· В NMOS пороговое напряжение увеличивается, когда тело находится под более низким напряжением, чем источник.

· Это означает, что если в случае PMOS тело находится под более высоким напряжением, чем источник, пороговое напряжение становится более отрицательным.

НМОС:

· Источник и сток: Области, легированные N.

· Субстрат (корпус): С примесью фосфора.

· Ворота (G): Контролирует формирование каналов.

ПМОС:

· D (Сток) и S (Источник): Области, легированные фосфором.

· Субстрат (корпус): N-легированный.

· Ворота (G): Формирование информации по каналам.

NMOS против PMOS: основные различия

Структурные различия между NMOS и PMOS

МОП-транзисторs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) широко используются из-за низкого энергопотребления, повышенной производительности и скорости, они используются в цифровых и аналоговых схемах. NMOS (N-канальный MOSFET) и PMOS (P-канальный MOSFET) являются двумя основными типами MOSFET, и структурное различие между ними играет важную роль в их производительности и применении. Оба транзистора выглядят одинаково, поскольку они оба состоят из истока, стока, затвора, оксидного слоя и подложки, но различаются легирующими примесями, используемыми в pn-переходе, и тем, как они видят ток.

Структура NMOS-транзистора

В нашем примере транзистор NMOS изготовлен на подложке p-типа с двумя легированными областями n-типа, служащими источником и стоком. Затвор из поликремния или металла размещен над областью канала и отделен от подложки очень тонким изолирующим слоем диоксида кремния (SiO₂). Затвор управляет проводимостью транзистора, создавая электрическое поле, которое влияет на транспорт носителей в канале.

1. Субстрат и легирование

· Подложка: P-типа (положительно легированная).

· Исток и сток: N-типа (легирующие примеси отрицательные).

Если на затвор не подано напряжение, он останется в состоянии ВЫКЛ, и между истоком и стоком не будет проводящего пути. Но если на вывод затвора подано положительное напряжение, то электроны из областей истока и стока притягиваются к каналу. Это создает инверсионный слой n-типа, позволяющий току течь от стока к истоку. Ток является функцией напряжения затвор-исток V_GS и напряжение сток-исток V_DS.

2. Носитель заряда и ток

· Носитель: Электроны (высокая подвижность)

· Активный режим: сток в исток во включенном состоянии.

3. 'Выходы управления затвором и входное напряжение кадра

· Включается, когда: Напряжение затвора положительно по отношению к истоку (V_GS > V_th)

· Пороговое напряжение (В)_th): Ниже, чем PMOS.

В NMOS-транзисторах в качестве носителей заряда используются электроны, которые обладают большей подвижностью, чем дырки (используемые PMOS-транзисторами). Более высокая подвижность электронов обеспечивает более высокую скорость переключения, что делает NMOS-транзисторы идеальными для высокоскоростных цифровых схем. Однако NMOS-транзисторы также страдают от статического потребления энергии, поскольку они также пропускают ток в выключенном состоянии.

4. Производительность и эффективность

· Скорость переключения: быстрее из-за подвижности электронов.

· Сопротивление: низкое, что обеспечивает более высокую эффективность и меньшие потери мощности.

5. Размещение в КМОП-схемах

· Используется в: Сетях заземления (привязка к земле).

Структура PMOS-транзистора

PMOS-транзисторы состоят из n-типа подложки с двумя легированными областями p-типа в качестве источника и стока. Например, подобно NMOS, затвор опирается на канал, разделенный тонким слоем SiO₂, однако он работает по-другому из-за дырок, являющихся носителями заряда.

Поскольку дырка имеет меньшую подвижность, чем электрон, PMOS-транзисторы всегда медленнее, чем NMOS-транзисторы. Это приводит к более длительным задержкам переключения, поэтому PMOS менее выгоден в высокоскоростных приложениях. Тем не менее, PMOS-транзисторы имеют превосходные характеристики в состоянии OFF, поскольку они имеют меньшую мощность в состоянии OFF, что является важным моментом в маломощных приложениях, таких как устройства с батарейным питанием. О вышеупомянутом, PMOS-транзисторы могут использоваться в цифровых логических схемах в качестве подтягивающих, гарантируя, что узлы схемы находятся на высоком уровне, когда они должны быть.

1. Субстрат и легирование

· Подложка: n-типа (отрицательно легированная).

· Подложка: P-типа (положительно легированная).

При отсутствии напряжения затвора транзистор остается в выключенном состоянии без проводящего канала. Но когда на затвор подается отрицательное напряжение, он отталкивает электроны от области канала, создавая инверсионный слой p-типа. Это позволяет дыркам мигрировать от истока к стоку, обеспечивая протекание тока. PMOS-транзистор будет оставаться включенным до тех пор, пока напряжение затвора ниже напряжения источника по отношению к пороговому напряжению (V_th).

2. Носители заряда и ток

· Транспортировка носителя: Дыры (низкая мобильность)

· Рабочее направление: от источника к стоку мы включаем

3. Управление затвором и пороговое напряжение

· Включается, когда: Напряжение затвора отрицательно, чем напряжение источника (V_GS} < В_th).

· Пороговое напряжение (В)_th): больше, чем NMOS.

4. Производительность и эффективность

· Скорость переключения поляризации: низкая, что обусловлено подвижностью дырок

· Сопротивление: больше, что приводит к рассеиванию большей мощности.

5. Размещение в КМОП-схемах

· Используется в: Подтягивающая сетка (подключение к Vdd)

Принципы работы NMOS и PMOS

Транзисторы NMOS и PMOS можно смоделировать как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET). В любом случае их поведение контролируется напряжением на выводе затвора (G), независимо от того, вызывает ли это протекание тока между выводами истока (S) и стока (D).

Рабочий механизм NMOS

1. Структура и носители заряда

· NMOS-транзистор представляет собой подложку P-типа с областями истока и стока N-типа.

· Большинство носителей заряда — электроны.

2. Состояние ВКЛ (активный режим)

· Когда VGS отрицательно по отношению к источнику и больше порогового напряжения (V_th), электроны притягиваются между Источником и Стоком, в так называемом «инверсионном слое».

· Это формирует проводящий канал, позволяющий току течь от стока к источнику.

3. Состояние ВЫКЛ.

· При V проводящий канал не образуется_GS <V_th.

· Транзистор остается выключенным и не пропускает ток.

4. Направление потока тока

· Сток-исток, когда транзистор включен.

5. Ключевое поведение

· Быстрое переключение за счет высокой подвижности электронов.

· Более низкое сопротивление и большая эффективность, чем у PMOS.

Рабочий механизм PMOS

1. Структура и носители заряда

· Подложка имеет N-тип, а исток и сток PMOS-транзистора — P-тип.

· Основными носителями заряда являются дырки.

2. Состояние ВКЛ (активный режим)

· В_GS При отрицательном напряжении затвора относительно истока между истоком и стоком образуется инверсионный слой дырок.

· Это формирует проводящий канал, позволяющий току проходить от Источника к Стоку.

3. Состояние ВЫКЛ.

· Где В_GS > V_th (напряжение на затворе высокое или 0 В), проводящий канал не образуется.

· Пока транзистор выключен, ток не течет.

4. Направление потока тока

· Когда транзистор включен, существует соединение между истоком и стоком.

5. Ключевое поведение

· Низкая подвижность дырок, что приводит к более медленному переключению

· Более высокое сопротивление, чем у NMOS, что приводит к большим потерям мощности

NMOS и PMOS: сравнение принципов работы

Применение NMOS и PMOS транзисторов

Эти транзисторы имеют различные применения в зависимости от их проводящих свойств. Они обычно применяются в схемах переключения и усиления.

Как переключатели

NMOS как коммутатор

· Обычная конфигурация NMOS-транзисторов — переключатель на нижнем плече (земля).

· Если напряжение на затворе высокое (В_GS > V_th), переключатель NMOS включен, и ток течет через канал от стока к истоку.

· Когда NMOS выключен (V_th > V_GS), блокирует поток тока.

Преимущества:

· Высокая подвижность электронов, что приводит к более быстрому переключению.

· Сниженное сопротивление включения для повышения эффективности.

PMOS как коммутатор

· PMOS-транзисторы используются в коммутации на высокой стороне (подключены к источнику питания).

· PMOS выключается, когда VGS больше Vth.

Преимущества:

· Используется для переключения питания в устройствах, работающих от батарей.

Как усилители

NMOS как усилитель

· Усилители с общим истоком для усиления напряжения.

· Работает за счет изменения тока стока посредством небольших изменений напряжения затвора.

Преимущества:

· Радиочастотные и высокочастотные приложения, поскольку они обеспечивают высокий коэффициент усиления и высокую скорость.

· Меньше искажений, которые либо улучшают, либо ухудшают качество сигнала.

PMOS как усилитель

· Это касается аналоговых схем, но встречается реже, чем усилители NMOS.

Преимущества:

· Исправлена ​​работа низкочастотных аналоговых цепей.

· Используется в качестве усилителя малой мощности.

Технология CMOS – комбинация NMOS и PMOS

Технология CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) является распространенной полупроводниковой технологией, используемой при проектировании цифровых схем. Это комбинация NMOS (N-канальные МОП-транзисторы) и PMOS (P-канальные МОП-транзисторы), отвечающая за достижение низкого энергопотребления, высокой скорости и улучшенной эффективности. За прошедшие годы технология CMOS стала основой современных микропроцессоров, микросхем памяти и логических схем и играет важную роль практически во всех электронных устройствах в современном мире.

Ключевым преимуществом CMOS по сравнению с большинством CMOS одиночных NMOS или PMOS-логик является низкое рассеивание мощности. CMOS имеет существенную мощность только во время коммутации устройства, в отличие от NMOS-логики, которая имеет статическую мощность из-за подтягивающего резистора. Это свойство делает CMOS очень подходящим для устройств с батарейным питанием и для больших интегральных схем (LSI).

1. Структура КМОП

· КМОП-схемы представляют собой комбинацию NMOS- и PMOS-транзисторов.

· NMOS-транзисторы работают как понижающий переключатель (выход подключается к земле в активном состоянии)

· PMOS-транзистор представляет собой разновидность подтягивающего переключателя (активный выход подключается к Vdd)

· Эта пара действует взаимодополняюще, минимизируя рассеивание мощности, поскольку работать будет только один транзистор.

2. Работа логических вентилей КМОП

Простейший пример — КМОП-инвертор (НЕ вентиль):

· Когда вход ВЫСОКИЙ (1) → NMOS ВКЛ, PMOS ВЫКЛ → Выход будет НИЗКИЙ (0)

· Если входной сигнал НИЗКИЙ (0), то PMOS включается, NMOS выключается, а выходной сигнал становится ВЫСОКИМ (1).

Для цифровых логических схем (вентили И, ИЛИ, XOR, NAND, NOR) это означает, что КМОП является идеальным вентилем.

3. Преимущества КМОП

· Меньшее энергопотребление: КМОП-транзисторы потребляют энергию только при переходе, тогда как в NMOS-транзисторах или PMOS-транзисторах ток течет непрерывно.

· Менее подвержены влиянию шума: Схемы КМОП действительно меньше подвержены влиянию системного шума, что обеспечивает их стабильность.

· Быстрая скорость переключения: Реализованная скорость в КМОП выше, чем в PMOS, поскольку NMOS имеет низкое сопротивление.

· Масштаб: Технология КМОП хорошо масштабируется в зависимости от размера транзистора, что сделало ее строительным блоком современного производства полупроводников.

CMOS против NMOS против PMOS

Заключение

Поэтому важно знать различия между NMOS и PMOS перед проектированием эффективных и производительных электронных схем. NMOS обеспечивает более быстрое переключение, а PMOS обеспечивает дополнительную логику в CMOS. Современные интегральные схемы должны потреблять мало энергии и иметь высокую производительность.