nMOS 與 pMOS 的差異:載子、遷移率、臨界電壓、在 CMOS 中的角色比較

nMOS 是由電子、pMOS 是由電洞流過通道的 MOSFET,所有電壓的方向都相反。nMOS 在閘極高於源極時導通,pMOS 則在閘極低於源極時導通。在矽中,電子的遷移率約為電洞的 2~3 倍,因此在相同尺寸下 nMOS 能流過較大的電流。在 CMOS 電路中,由 nMOS 負責將輸出拉向接地、pMOS 負責將輸出拉向電源,並加寬 pMOS 的閘極寬度以使驅動力一致。

項目nMOSpMOS
結構在 p 型基板或 p 井中形成 n⁺ 的源極與汲極在 n 井中形成 p⁺ 的源極與汲極
流過通道的載子電子電洞
遷移率(矽的反轉層)大。約為電洞的 2~3 倍小
臨界電壓(增強型,以源極為基準)正(例:+0.3 V)負(例:−0.3 V)
導通條件VGS > Vth。使閘極高於源極VGS < Vth(負)。使閘極比源極低 |Vth| 以上
在 CMOS 中源極的連接處接地端電源(VDD)端
在 CMOS 中的角色下拉。將輸出拉向接地。在 NAND 中串聯,在 NOR 中並聯上拉。將輸出拉向電源。在 NAND 中並聯,在 NOR 中串聯
作為開關容易傳遞的值能良好傳遞 0。1 只能升到 VDD − Vth 左右能良好傳遞 1。0 只能降到 |Vth| 左右
相同驅動力所需的閘極寬度基準(1 倍)基本上約為 nMOS 的 2~3 倍
提高遷移率的應變拉伸應變(應力襯層、Si:C 源極/汲極等)壓縮應變(SiGe 源極/汲極等)
代表性的劣化PBTI(在 High-k/金屬閘極中成為問題)NBTI

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

nMOS
將輸出拉低到接地時。例如 CMOS 的下拉網路、傳遞 0 的開關、灌入電流一側的開關等。
pMOS
將輸出拉高到電源時。例如 CMOS 的上拉網路、傳遞 1 的開關、放在電源側的開關(高側開關)等。
搭配使用
CMOS 將兩者成對使用,在穩態下必定有一方關閉,因此幾乎沒有靜態電流流過。將 nMOS 與 pMOS 並聯而成的傳輸閘,0 與 1 都能良好傳遞。

常見問題

為什麼在 CMOS 中要讓 pMOS 的閘極寬度比 nMOS 寬?

因為電洞的遷移率約為電子的 1/2~1/3,相同尺寸下 pMOS 的電流較小。將 pMOS 的寬度設為 nMOS 的約 2~3 倍,可使上升與下降的延遲一致,並使反相器的邏輯臨界值約為電源電壓的一半。

為什麼 pMOS 的臨界電壓是負的?

因為 pMOS 必須在 n 型井的表面形成電洞的反轉層,為此需要讓閘極的電壓低於源極。為了避免正負號的混淆,設計上常以絕對值 |Vth| 來比較。

為什麼不只用 nMOS 來構成邏輯電路?

因為在只有 nMOS 的電路中,輸出為 1 時電流會持續從電阻或負載元件流過,靜態功耗很大。在結合 nMOS 與 pMOS 的 CMOS 中,穩態下必定有一方關閉,這種電流幾乎不會流動。

在先進製程中,nMOS 與 pMOS 的差距仍是 2~3 倍嗎?

差距已大幅縮小。因為會利用 SiGe 源極/汲極造成的壓縮應變來提高 pMOS 的遷移率,或在 FinFET 中以電洞容易流動的晶面作為通道。即便如此,在單元設計中仍會考慮兩者驅動力的差異來決定尺寸。

理解度檢測

在相同尺寸的nMOS與pMOS中,一般而言nMOS的驅動電流較大,其主要原因為何?

  1. A因為nMOS的閘極氧化膜必定較厚
  2. B因為pMOS沒有閘極電極
  3. C因為在通道中流動的電子遷移率大於電洞遷移率
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正確答案:C. 因為在通道中流動的電子遷移率大於電洞遷移率

nMOS中是電子、pMOS中是電洞在通道內流動,而在矽的反轉層中,電子遷移率約為電洞的2~3倍,因此相同尺寸下nMOS能流過較大的電流。CMOS中會加寬pMOS的閘極寬度來取得平衡。在先進製程中,藉由SiGe的壓縮應變提高pMOS遷移率,且FinFET中電洞容易流動的(110)面成為鰭片側壁,使兩者的差距已大幅縮小。

關於矽中電子與電洞遷移率的比較,下列何者正確?

  1. A電子的遷移率較大
  2. B電洞的遷移率較大
  3. C兩者永遠相等
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正確答案:A. 電子的遷移率較大

在矽中,室溫、低雜質濃度下電子的遷移率約為1400 cm²/V·s,電洞約為450 cm²/V·s,電子約大3倍,主要原因是電洞的有效質量較大。因此在相同尺寸下,nMOS能通過較大的電流,CMOS中基本做法是將pMOS的閘極寬度設為nMOS的2~3倍,以使驅動能力相當。先進製程則利用SiGe造成的壓縮應變來提高pMOS的遷移率。

為了使CMOS反相器的邏輯臨界電壓約為電源電壓的一半,下列何種設計是正確的?

  1. A移除nMOS
  2. B將電源電壓設為0 V
  3. C使pMOS與nMOS的驅動能力平衡,將pMOS的閘極寬度加寬至大於nMOS
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正確答案:C. 使pMOS與nMOS的驅動能力平衡,將pMOS的閘極寬度加寬至大於nMOS

由於電洞的遷移率小於電子,相同尺寸下pMOS的驅動能力較低,邏輯臨界值會偏向接地側。將pMOS的閘極寬度設為nMOS的2~3倍以使驅動能力一致,邏輯臨界值就會約為電源電壓的一半,上下的雜訊容限相等,上升與下降的延遲也趨於一致。不過這會增加面積與輸入電容,因此在重視速度的電路中,也會刻意縮小此比例。

  1. 增強型p通道MOSFET的臨界電壓(以源極為基準)的正負號為下列何者?
  2. 在n通道MOSFET的通道中負責傳導電流的載子是下列何者?
  3. 關於CMOS的2輸入NAND閘的電晶體連接方式,下列何者正確?

前往MOSFET的練習題

相關名詞的解說

CMOS
將 nMOS 與 pMOS 互補組合的電路方式。穩態時幾乎沒有貫穿電流,消耗功率小。
遷移率
施加電場時載子移動的難易程度。在矽中,電子的遷移率比電洞大。
臨界電壓
MOSFET 中形成通道(反轉層)而開始有電流流動的閘極電壓。記為 Vth。
傳輸閘
將 nMOS 與 pMOS 並聯連接的類比開關。由於 nMOS 擅長傳遞 0、pMOS 擅長傳遞 1,因此兩種值都能在不降低電壓的情況下傳遞。

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