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Author: Jackie Long 都说'性格决定命运'，可还从没听说过'游泳成绩决定命运'的，编剧你又在瞎掰了！然而，这可真心不是标题党。 电子硬件工程师可能都听过这样一种说法：PMOS管的沟道导通比NMOS管电阻更大一些，所以前者应用场合远远不如后者。这看起来似乎是个比较理想的答案，然而，势必打破砂锅问到底的我仍然要问一下：为什么PMOS管导通电阻比NMOS管要大呢？其实是由于导通沟道在一个特性方面的差别：电子迁移率（Electron mobility）。 在文章《二极管》里我们提到过P型与N型半导体的由来，P型半导体就是在本征半导体（纯净无掺杂的）中掺入3价的元素（如硼B元素），其结构如下图的所示： 理论上，在合理的范围内掺入的杂质越多，则多数载流子空穴就更多，P型半导体的导电性也似乎将会变得更好。 相应的，N型半导体就是在本征半导体（纯净无掺杂的）中掺入5价的元素（如磷P元素），其结构如下图的所示： 同样，在合理范围内掺入的杂质越多，则多数载流子电子就更多，N型半导体的导电性也因此似乎将会变得更好，而PMOS管或NMOS管的导通沟道就是P型或N型，这看起来两者没有太大的区别，只要控制掺入杂质的数量，就可以控制掺杂半导体的导电性，但实际上并非这么回事！因为半导体的导电性不仅与载流子（电子或空穴）浓度有关，还与载流子的迁移率（速度）有关。 我们从初中物理学就知道，导体之所以容易导电，是因为自由电子比较多，而绝缘体很难导电是因为自由电子比较少，半导体中的导电性也是类似的。 NMOS管是导电沟道是N型半导体，其多数载流子是电子，当半导体外部施加电场时，载流子电子将按下图所示的迁移： 载流子电子在由A点到F点的运动过程中，不断地与晶格原子或杂质离子发生碰撞，因此运动轨迹不是直线的，只有一个平均的迁移方向（细节可自行参考相关文档），但有一点需要注意的是：载流子电子在迁移过程中不会进入共价键中，总是在图所示的'空档'移动，这些地方没有共价键位置的束缚力，因此载流子电子的迁移率（速度）比较高。 在《半导体物理学》中，我们把自由电子存在的空间叫做导带，而把共价键所在的空间叫做价带，很明显，价带中有来自晶格原子（如硅、锗）或杂质离子（如硼、磷）的束缚力，因此价带（共价键）中的电子要跑出来就必须具备一定的能量（如光或热），而电子在导带中则不需要。 PMOS管是导电沟道是P型半导体，其多数载流子是空穴，当半导体外部施加电场时，载流子空穴将按下图所示的迁移： 空穴移动可以看作是电子的反向移动，每一次空穴移动时，都可以看成是电子从导带中跳入到价带中（填充某个空穴），再从价带中跳出来往相邻的价带中移动，很明显，空穴迁移的速度是不如电子迁移速度的，因为电子一旦跳进价带（共价键）中，就会受到共价键的束缚力，需要更多的能量激发才能跳出来。 你可以将这种迁移方式比作游泳，NMOS管相当于在水里游泳，而PMOS管相当于在油水相间的泳道中游泳，很明显，在相同的条件下，在水里游泳的速度会更快一些，如下图所示： 电子与空穴迁移率的差别表现之一在场效应管的开关速度上，我们在文章《逻辑门》中已经介绍过，CMOS反相器是由一个PMOS管与NMOS管来完成的，如下图所示： 当输入A=0时，输出Y=1，当输入A=1时，输出Y=0，由于PMOS管（上侧带圈圈的）的空穴迁移率比NMOS管的电子迁移率要小，因此，在相同的尺寸条件下，输出Y的上升速率比下降速率要慢，这样带来的结果是：开关损耗相应会比NMOS管大一些（关于'开关损耗'可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】）。 当然，你可以做一个与NMOS管驱动能力相同的PMOS管，但需要的器件面积可能是NMOS管的2～3倍，这就是钱呐，而且器件面积会影响导通电阻、输入输出电容，而这些参数会影响电路的延迟。 同样，在相同的尺寸条件下，PMOS管沟道导通电阻比NMOS要大一些，这样开关导通损耗相应也会比NMOS管要大一些（关于'导通损耗'可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】）。 正是因为迁移率的差别才有速度与沟道导通电阻的差别，才导致PMOS管的应用范围受到限制，这样PMOS的市场用量必然不如NMOS管，从工艺上来讲，PMOS管与NMOS管的制造并无多大不同，但市场经济的杠杆总是无处不在的，所以PMOS管比NMOS管贵很大一部分也是由市场决定的（材料成本低并不总意味着价格低），而不能简单地认为：因为PMOS管与NMOS管贵，所以应用场合少。 鉴于NMOS管的使用场合远比PMOS管要广泛，下一节我们来讨论一下NMOS管的各种驱动方式。 |
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