MOS管指南：NMOS 与 PMOS全面对比, 什么是CMOS?

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET, MOS管）已成为现代电子中数字和模拟电路的基本构建模块。MOS管可以进一步分为两种主要类型：NMOS（N 沟道 MOSFET）和PMOS（P 沟道 MOSFET），每种类型都表现出不同的特性和应用场景。在开发有效电路时，理解它们的差异非常重要，并且在 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术中，它们也被逻辑组合使用。

本指南将带您了解 NMOS 与 PMOS 的符号、电流方向、阈值电压、结构、工作原理及应用。

NMOS 和 PMOS 晶体管是什么？

NMOS (N 沟道 MOSFET):一种 MOSFET,其沟道中含有 n 型半导体材料。如果施加栅极电压，电流就会流动。

PMOS (P 沟道 MOSFET):一种使用 p 型或 p 沟道构建的 MOSFET。它在负栅极电压（低于阈值）的作用下会导通。

体效应

体效应是指源结与体（或衬底端）之间的（反向）偏置导致阈值变化的现象。

• 在 NMOS 中，当衬底电压低于源电压时，阈值电压会升高。
• 这意味着对于 PMOS，当衬底电压高于源电压时，阈值电压变得更负。

NMOS:

1. 源极和漏极：N 型掺杂区域。
2. 衬底（体）：P 型掺杂。
3. 栅极（G）：控制沟道形成。

PMOS：

• D(漏极) & S (源极):P 型掺杂区域。
• 衬底 (本体):N 型掺杂。
• 栅极 (G):通道信息形成。

NMOS 与 PMOS：主要区别

ASPECT	NMOS	PMOS
符号	仅反向箭头（从源极到衬底）。	箭头指向外部（从体到源）。
电流方向	电子（多数载流子）。	空穴（多数载流子）。
阈值电压	正（例如，+0.7V）。	负（例如，-0.7V）。
开关速度	更快（电子传输能力更强）。	更慢（空穴迁移率较低）。
功耗	工作状态下更低。	某些情况下漏电流更高。
制造成本	更容易制造。	需要进一步的掺杂步骤。
迁移率	高。	低。

NMOS 与 PMOS 的结构差异

MOSFETs（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）因其低功耗、输出增加和速度提升而被广泛应用，用于数字和模拟电路。NMOS（N 沟道 MOSFET）和 PMOS（P 沟道 MOSFET）是两种基本的 MOSFET 类型，它们之间的结构差异在其性能和应用中起着重要作用。这两种晶体管看起来相似，因为它们都由源极、漏极、栅极、氧化层和衬底组成，但在 p-n 结使用的掺杂剂以及电流流动方式上有所不同。

NMOS 晶体管结构

在我们的例子中，NMOS 晶体管是在 p 型衬底上制造的，有两个 n 型掺杂区域作为源极和漏极。一个由多晶硅或金属制成的栅极放置在沟道区域上方，并与衬底之间隔着一层非常薄的二氧化硅（SiO₂）绝缘层。栅极通过建立影响沟道中载流子传输的电场来控制晶体管的导电性。

1. 衬底与掺杂

• 衬底：P 型（正掺杂）。
• 源极 & 漏极：N 型（掺杂剂为负）。

当没有电压施加到栅极时，它将保持 OFF 状态，源极和漏极之间将没有导电路径。但如果栅极端提供正电压，那么源极和漏极区域的电子会被吸引到沟道中。这会形成一个 N 型反型层，允许电流从漏极流向源极。电流是栅源电压 V_GS和漏源电压 V_DS的函数。

2. 载流子电荷与电流流动

• 载流子：电子（高迁移率）
• 导通状态：漏极到源极导通。

3. 栅极控制'输出与输入栅极电压

• 在以下条件下导通：栅极电压相对于源极为正（V_GS> V_th）
• 阈值电压（V_th）：低于 PMOS。

NMOS 使用电子作为载流子，电子的迁移率高于空穴（PMOS 晶体管使用）。电子的更高迁移率使得开关速度更快，因此 NMOS 晶体管非常适合高速数字电路。然而，NMOS 晶体管也存在静态功耗问题，因为它们在关闭状态时也会漏电流。

4. 性能与效率

• 开关速度：由于电子迁移率高，速度更快。
• 电阻：低，导致效率更高且功率损耗更低。

5. CMOS 电路中的布局

• 用于：下拉网络（连接到地）。

PMOS 晶体管结构

PMOS 晶体管由一个 n 型衬底和两个 p 型掺杂区域作为源极和漏极组成。例如，类似于 NMOS，栅极位于由一层 SiO₂隔开的沟道上，但由于空穴是载流子，其工作方式不同。

由于空穴的迁移率低于电子，PMOS 晶体管总是比 NMOS 晶体管慢。这导致开关延迟更长，因此 PMOS 在高速应用中不太受欢迎。然而，PMOS 晶体管在关断状态下具有更优越的特性，因为它在关断状态下功耗更低，这在电池供电设备等低功耗应用中是一个重要因素。关于上述内容，PMOS 晶体管可以用作数字逻辑设计中的上拉电阻，确保电路节点在需要时处于高电平。

1. 衬底与掺杂

• 衬底：n 型（负掺杂）。
• 衬底：P 型（正掺杂）。

在栅极电压为零时，晶体管保持关闭状态，没有导电通道。但当给栅极施加负电压时，它会将沟道区域的电子排斥出去，形成一个 p 型反型层。这使得空穴能够从源极迁移到漏极，从而允许电流流动。只要栅极电压相对于阈值电压（V_th）低于源极电压，PMOS 晶体管将保持开启状态。

2. 载流子与电流流动

• 载流子传输：空穴（低迁移率）
• 工作方向：从源极到漏极我们打开

3. 栅极控制与阈值电压

• 在以下条件下打开：栅极电压低于源极（V_GS} < V_th).
• 阈值电压 (V_th)：大于 NMOS。

4. 性能与效率

• 极化转换速度：较慢，由空穴迁移率决定
• 电阻：更大，导致更多功率被耗散

5. CMOS 电路中的布局

• 应用场景：上拉网络（连接到 Vdd）

NMOS 和 PMOS 的工作原理

NMOS 和 PMOS 晶体管可以被建模为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。在任一情况下，它们的行为都由栅极（G）端的电压控制，无论这是否会导致源极（S）和漏极（D）端之间产生电流。

NMOS 工作原理

1. 结构与电荷载体

• NMOS 晶体管代表一个 P 型衬底，具有 N 型源极和漏极区域。
• 多数载流子是电子。

2. 导通状态（活性模式）

• 当栅源电压 VGS 相对于源极为负且大于阈值电压（V_th）时，电子被吸引在源极和漏极之间，形成所谓的“反型层”。
• 这形成了一个导电通道，允许电流从漏极流向源极。

3. 关断状态

• 当 V_GS< V_th时，不形成导电沟道。
• 晶体管保持关闭状态，不允许电流通过。

4. 电流方向

• 晶体管开启时，从漏极到源极流动。

5. 主要特性

• 由于电子迁移率高，开关速度快。
• 比 PMOS 电阻更低，效率更高。

PMOS 工作原理

1. 结构与电荷载体

• 衬底为 N 型，PMOS 晶体管的源极和漏极为 P 型。
• 多数载流子为空穴。

2. 导通状态（活性模式）

• 对于相对于源极的负栅极电压，在源极和漏极之间形成空穴的反型层。
• 这形成了一个导电路径，使电流能够从源极流向漏极。

3. 关断状态

• 当 V_GS> V_th（栅极电压高或 0V）时，不会形成导电通道。
• 当晶体管仍然处于关闭状态时，没有电流流过。

4. 电流方向

• 当晶体管处于开启状态时，存在从源极到漏极的连接。

5. 关键特性

• 低空穴迁移率，导致开关速度较慢
• 比 NMOS 电阻更大，导致功率损耗更多

NMOS 和 PMOS：工作原理对比

FEATURES	NMOS (N 沟道)	PMOS (P 沟道)
载流子	电子（高迁移率）	空穴（低迁移率）
导通状态	VGS> Vth	Vth> VGS
关断状态	Vth> VGS	VGS> Vth
电流流动方向	漏源	源漏
开关速度	更快	更慢
电阻	更低	更高