Giới thiệu

Trong thế giới công nghệ bán dẫn năng động, việc hiểu rõ các sắc thái và chức năng của các linh kiện khác nhau là vô cùng quan trọng đối với bất kỳ ai đam mê điện tử. Hai linh kiện quan trọng đó là transistor NMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn kênh N) và PMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn kênh P). Mặc dù có mục đích cơ bản tương tự nhau, nhưng hai loại transistor này lại có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt. Bài viết này nhằm mục đích làm rõ sự khác biệt giữa transistor NMOS và PMOS, làm sáng tỏ những điểm mạnh riêng của chúng và cách chúng bổ sung cho nhau trong các thiết bị điện tử hiện đại.

NMOS là gì?

NMOS, hay Bán dẫn Oxit Kim loại loại N, là một loại MOSFET (Transistor Hiệu ứng Trường Bán dẫn Oxit Kim loại) trong đó các hạt tải điện đa số là electron. Tên gọi này xuất phát từ việc sử dụng chất bán dẫn loại n làm vùng cực nguồn và cực máng. Trong một transistor NMOS, khi một điện áp dương được đặt vào cực cổng so với cực nguồn, nó sẽ tạo ra một điện trường thu hút các electron về phía cực cổng. Điều này tạo thành một kênh dẫn điện giữa cực nguồn và cực máng, cho phép dòng điện chạy qua.

Ưu điểm của NMOS so với PMOS

Ưu điểm chính của transistor NMOS bao gồm tốc độ và kích thước . Chúng chuyển mạch nhanh hơn transistor PMOS do độ linh động của electron cao hơn độ linh động của lỗ trống, điều này khiến chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng tốc độ cao. Ngoài ra, vì chúng có thể được chế tạo nhỏ hơn các thiết bị PMOS tương đương (một lần nữa nhờ vào đặc tính của electron), chúng cho phép tạo ra các mạch tích hợp dày đặc và nhỏ gọn hơn.

NMOS, hay Bán dẫn Oxit Kim loại loại N, là một loại MOSFET (Transistor Hiệu ứng Trường Bán dẫn Oxit Kim loại) trong đó các hạt tải điện đa số là electron. Tên gọi này xuất phát từ việc sử dụng chất bán dẫn loại n làm vùng cực nguồn và cực máng. Trong một transistor NMOS, khi một điện áp dương được đặt vào cực cổng so với cực nguồn, nó sẽ tạo ra một điện trường thu hút các electron về phía cực cổng. Điều này tạo thành một kênh dẫn điện giữa cực nguồn và cực máng, cho phép dòng điện chạy qua.

Nhược điểm của NMOS so với PMOS

Tuy nhiên, công nghệ NMOS cũng có nhược điểm: công nghệ này thường tiêu thụ nhiều điện năng hơn ở trạng thái 'BẬT' so với bóng bán dẫn PMos; biên độ nhiễu của nó thường kém hơn so với biên độ nhiễu trong mạch Pmos; và mặc dù kích thước nhỏ hơn có thể có nghĩa là hiệu quả về chi phí trên mỗi đơn vị diện tích, nhưng tổng chi phí sản xuất chưa chắc đã thấp hơn tùy thuộc vào các yếu tố khác liên quan đến chế tạo chip.

PMOS là gì?

PMOS, hay Bán dẫn Oxit Kim loại loại P, là một loại MOSFET (Transistor Hiệu ứng Trường Bán dẫn Oxit Kim loại) khác, trong đó các hạt tải điện đa số là lỗ trống. Tên gọi này xuất phát từ việc sử dụng chất bán dẫn loại p làm vùng cực nguồn và cực máng.

Trong transistor PMOS, khi đặt điện áp âm vào cực cổng so với cực nguồn, nó sẽ tạo ra một điện trường đẩy các lỗ trống về phía cực nguồn và cực máng. Điều này tạo thành một kênh dẫn điện giữa hai cực này, cho phép dòng điện chạy qua.

Ưu điểm của PMOS so với NMOS

Ưu điểm chính của transistor PMOS là mức tiêu thụ điện năng thấp hơn ở trạng thái "BẬT" so với transistor NMOS. Chúng cũng có biên độ nhiễu tốt hơn so với mạch NMOS, giúp chúng đáng tin cậy hơn trong một số ứng dụng nhất định.

Nhược điểm của PMOS so với NMOS

Tuy nhiên, công nghệ PMOS cũng có những nhược điểm: chúng chuyển mạch chậm hơn so với bóng bán dẫn NMOS do độ linh động của lỗ trống nhỏ hơn độ linh động của electron; điều này khiến chúng ít phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao. Ngoài ra, vì chúng không thể được chế tạo nhỏ gọn như các thiết bị NMOS tương đương (một lần nữa do đặc tính của lỗ trống), chúng không cho phép tạo ra các mạch tích hợp dày đặc và nhỏ gọn. Bất chấp những hạn chế này, PMOS đã được sử dụng rộng rãi trước khi công nghệ NMOS trở nên phổ biến nhờ quy trình sản xuất đơn giản hơn.

PMOS đề cập đến một chất nền loại n, một kênh p và một bóng bán dẫn MOS vận chuyển dòng điện bằng dòng lỗ.

Độ linh động lỗ trống của transistor MOS kênh P thấp, do đó khi kích thước hình học của transistor MOS và giá trị tuyệt đối của điện áp hoạt động bằng nhau, độ dẫn điện xuyên của transistor PMOS nhỏ hơn so với transistor MOS kênh N. Ngoài ra, giá trị tuyệt đối của điện áp ngưỡng của transistor MOS kênh P thường cao, đòi hỏi điện áp hoạt động tương đối cao. Điện áp và cực tính của nguồn điện của nó không tương thích với các mạch logic transistor lưỡng cực. Do biên độ logic lớn, quá trình sạc và xả dài và độ dẫn điện xuyên nhỏ của thiết bị, PMOS hoạt động ở tốc độ thấp hơn. Sau khi mạch NMOS xuất hiện (xem mạch tích hợp kim loại-ôxít-bán dẫn kênh N), hầu hết chúng đã được các mạch NMOS áp dụng. Tuy nhiên, do công nghệ mạch PMOS đơn giản và giá thành rẻ nên một số mạch điều khiển kỹ thuật số quy mô vừa và nhỏ vẫn sử dụng công nghệ mạch PMOS.

PMOS so với NMOS: Cấu trúc

Cấu trúc của bóng bán dẫn NMOS và PMOS tương tự nhau ở nhiều điểm, nhưng có một điểm khác biệt quan trọng ở loại vật liệu bán dẫn được sử dụng.

Cấu trúc PMOS MOSFET (Trái) và NMOS MOSFET (Phải)

Sau đây là mô tả cơ bản:

Cấu trúc NMOS

• Chất nền: Chất nền (hoặc thân) được tạo thành từ vật liệu bán dẫn loại p.
• Vùng nguồn và vùng thoát: Hai vùng loại n khuếch tán vào chất nền để tạo thành vùng nguồn và vùng thoát.
• Cổng: Một lớp mỏng silicon dioxide (chất cách điện) được phủ lên trên lớp nền giữa nguồn và thoát, trên đó lắng đọng vật liệu cổng dẫn điện (thường là polysilicon hoặc kim loại).
• Hoạt động: Khi điện áp dương được áp dụng cho cực cổng so với cực nguồn, nó sẽ thu hút các electron tự do về phía lớp SiO2 tạo ra lớp đảo ngược hoặc kênh cho dòng điện chạy giữa cực nguồn và cực thoát.

Cấu trúc PMOS

• Chất nền: Chất nền (hoặc thân) bao gồm vật liệu bán dẫn loại n.
• Vùng nguồn và vùng thoát: Hai vùng loại p khuếch tán vào chất nền để tạo thành vùng nguồn và vùng thoát.
• Cổng: Tương tự như NMos, ở đây cũng có lớp silicon dioxide ngăn cách cổng với thân bằng vật liệu dẫn điện tạo thành điện cực cổng phía trên.
• Hoạt động: Khi điện áp âm được áp dụng tại cực Cổng so với Cực Nguồn, nó sẽ đẩy các electron ra khỏi giao diện SiO2, gây ra sự tích tụ các lỗ gần bề mặt này, do đó tạo đường dẫn cho dòng điện chạy giữa Cực Nguồn và Cực Thoát.

Trong cả hai trường hợp, việc điều khiển điện áp trên cực Cổng (Gate) sẽ điều chỉnh độ dẫn điện giữa cực Nguồn và cực Xả. Nguyên lý này cho phép MOSFET hoạt động như bộ khuếch đại hoặc công tắc trong mạch.

NMOS so với PMOS: Ứng dụng

Cả transistor NMOS và PMOS đều được sử dụng rộng rãi trong các mạch kỹ thuật số. Mỗi loại đều có những ưu điểm riêng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng NMOS

• Mạch logic kỹ thuật số: Do tính di động của electron cao, bóng bán dẫn NMOS có thể bật và tắt nhanh hơn PMOS, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong mạch logic kỹ thuật số tốc độ cao.
• Bộ vi xử lý: Bộ vi xử lý tốc độ cao thường sử dụng công nghệ NMOS do thời gian chuyển mạch nhanh hơn.
• Đơn vị bộ nhớ: Các ô nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) thường sử dụng một bóng bán dẫn (thường là bóng bán dẫn NMOS) và một tụ điện.

Ứng dụng PMOS

• Ứng dụng công suất thấp: Vì tiêu thụ ít điện năng hơn khi 'BẬT' so với các thiết bị nMOSH tương đương, PMo thường được ưu tiên sử dụng trong các thiết bị công suất thấp hoặc chạy bằng pin, trong đó mức tiêu thụ điện năng là yếu tố quan trọng.
• Điện trở kéo lên: Trong cổng logic CMoS , bóng bán dẫn Pmos thường được sử dụng làm điện trở kéo lên do khả năng duy trì tín hiệu '1' mạnh trong khi Nmos cung cấp tín hiệu '0' mạnh.
• Công tắc tương tự và bộ ghép kênh: MOSFET loại P có thể được tìm thấy trong các công tắc tương tự, bộ ghép kênh, v.v. vì nhu cầu của cả hai loại thiết bị tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

NMOS so với PMOS: Cái nào tốt hơn

Electron (hạt mang điện trong NMOS) có độ linh động cao hơn lỗ trống (hạt mang điện trong PMOS). Điều này giúp hoạt động nhanh hơn và hữu ích trong các ứng dụng tốc độ cao. Nhìn chung, việc chế tạo NMOS có chi phí thấp hơn một chút. Transistor NMOS thường tiêu thụ nhiều điện năng hơn, đặc biệt là ở trạng thái "bật".

Transistor PMOS có dòng rò thấp hơn so với NMOS khi ở trạng thái "tắt". Các thiết bị PMOS bền bỉ hơn trong môi trường điện áp cao. Do độ linh động của lỗ trống thấp hơn, transistor PMOS thường chậm hơn NMOS.

Việc lựa chọn giữa NMOS và PMOS phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Đối với các ứng dụng tốc độ cao và chi phí thấp, NMOS thường được ưu tiên. Đối với các ứng dụng yêu cầu dòng rò thấp và khả năng chịu điện áp cao, PMOS phù hợp hơn.

Trong nhiều mạch điện hiện đại, cả NMOS và PMOS đều được sử dụng kết hợp theo cách bổ sung cho nhau (CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Cách tiếp cận này kết hợp những ưu điểm của cả hai, cho phép thiết kế hiệu quả và tiết kiệm điện năng, đặc biệt là trong các mạch tích hợp kỹ thuật số.

So sánh NMOS và PMOS

Ống MOS được chia thành kênh N và kênh P. Chúng tôi thường sử dụng NMOS vì điện trở dẫn nhỏ và dễ chế tạo. Trên sơ đồ nguyên lý của ống MOS, có thể thấy có một diode ký sinh giữa cực máng và cực nguồn. Diode này được gọi là diode thân. Diode này rất quan trọng khi điều khiển tải cảm ứng (chẳng hạn như động cơ). Nhân tiện, diode thân chỉ tồn tại trong một ống MOS duy nhất, và thường không nằm bên trong chip mạch tích hợp.

Kết luận

Tóm lại, sự khác biệt giữa bóng bán dẫn NMOS và PMOS làm nổi bật sự đa dạng của công nghệ bán dẫn. NMOS, với độ linh động điện tử cao hơn và hiệu quả chi phí, vượt trội về tốc độ và hiệu suất, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng tốc độ cao. Mặt khác, PMOS, đặc trưng bởi dòng rò thấp hơn và độ bền cao trong môi trường điện áp cao, mang lại độ tin cậy và ổn định, đặc biệt là trong các ứng dụng nhạy cảm với nguồn điện.

Sự tích hợp hài hòa giữa NMOS và PMOS trong công nghệ CMOS là minh chứng điển hình cho sự đổi mới trong lĩnh vực điện tử, mở đường cho các thiết bị hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng hơn. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, vai trò bổ sung của transistor NMOS và PMOS có thể sẽ trở nên quan trọng hơn nữa trong việc định hình tương lai của thiết kế mạch điện tử.

Những câu hỏi thường gặp

1. PMOS có nghĩa là gì?

PMOS là viết tắt của P-type Metal-Oxide-Semiconductor (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn loại P). Đây là một loại MOSFET (Transistor hiệu ứng trường bán dẫn ôxít kim loại) trong đó các hạt dẫn điện đa số là lỗ trống.

2. NMOS có nghĩa là gì?

NMOS là viết tắt của Metal-Oxide-Semiconductor loại N. Đây là một loại MOSFET khác, nhưng trong trường hợp này, hạt dẫn điện chủ yếu là electron.

3. Sự khác biệt giữa nhiễu NMOS và PMOS là gì?

Đặc tính nhiễu có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm công nghệ xử lý và thiết kế mạch. Tuy nhiên, nhìn chung, cả hai loại đều có các loại nhiễu điện tử nội tại tương tự nhau, chẳng hạn như nhiễu nhiệt hoặc nhiễu nhấp nháy (1/f).

4. Sự khác biệt giữa điện dung NMOS và PMOS là gì?

Điện dung cổng của bóng bán dẫn NMos và PMos phụ thuộc vào kích thước vật lý, độ dày oxit, v.v. Trong một nút công nghệ nhất định, nếu cả hai thiết bị có kích thước tương tự nhau thì chúng sẽ có điện dung cổng tương đương nhau.

5. Làm sao để biết bóng bán dẫn của tôi là NMOS hay PMOS?

Điều này thường đòi hỏi kiến ​​thức về cách thiết bị được chế tạo - liệu nó sử dụng vật liệu bán dẫn loại n hay loại p làm nền. Một cách khác để biết là kiểm tra hoạt động của nó: nMOSH sẽ "bật" khi có điện áp dương đặt vào cực Cổng, trong khi pMOSH cần điện áp âm để BẬT.

6. Nhược điểm của PMOS so với NMOS là gì?

PMO có tốc độ chuyển mạch chậm hơn do tính di động của lỗ trống (hạt mang điện trong Pmos) thấp hơn so với electron là hạt mang điện trong Nmos.

7. Tại sao NMos tốt hơn Pmos?

Các thiết bị Nmos chuyển mạch nhanh hơn nhờ tính di động của electron cao và chúng cũng có thể được chế tạo nhỏ hơn các thiết bị pMos tương đương, dẫn đến mạch có mật độ cao hơn.

8. Tại sao NMOS lại nhanh hơn PMOS nhiều?

Tốc độ của một bóng bán dẫn phụ thuộc vào độ linh động của các hạt mang điện chạy qua nó. Trong bóng bán dẫn NMOS, các electron là những hạt có độ linh động cao hơn lỗ trống (các hạt mang điện trong bóng bán dẫn PMOS). Điều này có nghĩa là với cùng một điện áp được áp dụng, các electron sẽ di chuyển nhanh hơn và do đó làm cho các bóng bán dẫn NMOS chuyển mạch nhanh hơn.

9. Hai điểm khác biệt giữa NMOS và PMOS là gì?

• Vật liệu nền: Vật liệu nền cho NMOS là chất bán dẫn loại p trong khi đối với PMOS là chất bán dẫn loại n.
• Các hạt mang điện: Trong NMOS, phần lớn các hạt mang điện là electron trong khi trong PMos chúng là lỗ trống.

10. Ưu điểm của PMOS là gì?

Transistor PMOS mang lại nhiều lợi ích, giúp chúng trở nên hữu ích cho nhiều ứng dụng khác nhau. Chúng tiêu thụ ít điện năng hơn ở trạng thái "BẬT" so với các thiết bị NMOS, điều này đặc biệt có lợi cho các ứng dụng công suất thấp và chạy bằng pin. Trong các cổng logic CMOS, chúng cung cấp mức logic "1" mạnh mẽ, nâng cao hiệu suất tổng thể của các mạch kỹ thuật số.

Mạch PMOS cũng có biên độ nhiễu tốt hơn mạch NMOS, giúp tăng độ tin cậy trong môi trường nhiễu. Quy trình sản xuất PMOS đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với quy trình MOS bổ sung (CMoS) hoặc NMos. Ngoài ra, do điện trở cao khi tắt, transistor PMOS thường được sử dụng làm điện trở kéo lên trong công nghệ CMoS.

11. Pmos có lớn hơn Nmos không?

Có, thông thường là do tính di động của lỗ trống nhỏ hơn tính di động của electron, dẫn đến kích thước thiết bị lớn hơn để đạt được khả năng truyền động dòng điện tương tự.

12. Tại sao CMOS tốt hơn NMOS và PmoS?

CMoSH kết hợp những tính năng tốt nhất của cả hai công nghệ, tức là chuyển đổi nhanh từ nMosh và mức tiêu thụ điện tĩnh thấp từ pMosH. Điều này giúp mạch tiết kiệm năng lượng hơn, đặc biệt là đối với các thiết bị chạy bằng pin hoặc di động.

13. Tại sao PMOS chậm hơn?

Transistor PMOS chậm hơn transistor NMOS chủ yếu là do sự khác biệt về độ linh động của hạt mang điện. Trong PMOS, hạt mang điện đa số là lỗ trống, trong khi ở NMOS, chúng là electron.

Electron có độ linh động cao hơn lỗ trống do khối lượng hiệu dụng nhỏ hơn và tương tác khác biệt với mạng tinh thể bán dẫn. Điều này có nghĩa là với cùng một cường độ điện trường nhất định, electron có thể di chuyển nhanh hơn qua bóng bán dẫn so với lỗ trống.

Kết quả là, khi một tín hiệu điện được đưa vào một bóng bán dẫn PMOS (dựa trên chuyển động của lỗ trống), nó sẽ chuyển trạng thái chậm hơn so với một bóng bán dẫn NMOS (dựa trên chuyển động của electron). Do đó, chúng ta nói rằng "PMos chậm hơn".