Warum sind N-Kanal-MOSFETs besser als P-Kanal-MOSFETs?

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Die Antwort hängt wirklich davon ab ... NMOS ist nicht immer in allen Bereichen besser als PMOS.

Trägermobilität:

• Die meisten modernen CMOS-Prozesse werden auf Wafern mit <100>-Kristallorientierung durchgeführt. Da sich in diesem System die Transistoren in einem gemeinsamen Substrat befinden, gibt es einen ~ 2,2-fachen Faktor in der Mobilität zwischen Elektronen und Löchern.

  - however, when they are separate devices like discretes, a different crystal orientation could possibly be used so the mobility argument will be weakened (but electrons will always have better mobility than holes in silicon).
  

• Prozesse rund um den 65-nm-Knoten begannen mit Stress/Dehnung, um die Mobilität zwischen den beiden Transistortypen besser aufeinander abzustimmen, hauptsächlich aus Gründen der Größeneinsparung. Intel ist ein Paradebeispiel für diesen Ansatz.

Substratanschluss:

• Die meisten CMOS-Prozesse finden auf P-Typ-Wafern mit Dual-Well-Implantationen statt. Das bedeutet, dass alle Wannen von NMOS-Transistoren auf Massepotential liegen (sofern es sich nicht um Triple-Well-Prozesse handelt). Das bedeutet, dass die Bulk-Verbindung für einen Unity-Gain-Follower, der ein NMOS-Gerät verwendet, auf Masse liegt und der Back-Gate-Effekt vorhanden ist, der die Verstärkung auf ~ 0,8 reduziert. Bei einer Implementierung mit PMOS-Bauelementen, bei denen die Masseverbindung mit der Quelle verbunden ist, kann die Verstärkung 1,0 betragen.

Lärm:

• PMOS-Transistoren an Prozessknoten über 0,35 u waren typischerweise Bauelemente mit vergrabenem Kanal (aufgrund von Prozesstechniken, die an diesen Knoten verwendet werden). Diese Geräte hatten ein viel geringeres Rauschen als NMOS-Transistoren im selben Prozessknoten. Einfach deshalb, weil der Kanal von den Si/SiO2-Grenzflächenzuständen an der Si-Gate-Oxid-Grenze ferngehalten wurde. Dies gilt insbesondere für Flimmerrauschen.

• PMOS-Transistoren unter 0,25 u waren meistens Oberflächenkanalbauelemente und nahmen infolgedessen NTBI- (Negative Temperature Bias Instability) rauschähnliche Eigenschaften auf.

Prozessvariabilität:

• wegen der größeren Größen, die für die Anpassung erforderlich sind$G_m$PMOS-Geräte sind größer und daher besser auf weniger Effekte von LER (Line Edge Roughness) abgestimmt.

Warum sind n-Kanal-MOSFETs besser als p-Kanal-MOSFETs?

Der einzige wirkliche Grund ist, dass die Elektronenmobilität höher ist als die Lochmobilität. Alle physikalischen Vorteile ergeben sich daraus (Gate-Kapazität, Kanalwiderstand, Kosten, Größe, thermische Bewertung usw.)

Jeder andere Unterschied ist nur ein Unterschied. Betrachten wir die Polarität. Wenn Sie den Transistor als Schalter verwenden, ist der p-Typ unter Bedingungen "ein", die denen des n-Typs entgegengesetzt sind.

Dies ist analog zu einem Druckknopf, der normalerweise offen ist (den Knopf drücken, um den Stromkreis zu schließen – normalerweise bedeutet das, etwas einzuschalten) und normalerweise geschlossen (den Knopf drücken, um den Stromkreis zu öffnen – normalerweise etwas „auszuschalten“). .

Welches dieser Verhaltensweisen in Ihrer Anwendung besser ist, hängt von der Anwendung ab.

N-Kanal-FETs haben Elektronen als Stromträger, die eine hohe Beweglichkeit haben, daher ist der Drain-Strom vergleichsweise hoch; hier ist das Eingangsrauschen gering und die Transkonduktanz groß. Dagegen haben p-Kanal-FETs Löcher als Stromträger, die eine vergleichsweise geringere Mobilität als Elektronen haben, wodurch weniger Drain-Strom fließt; hier ist in diesem Fall das Eingangsrauschen größer und die Transkonduktanz klein.