คู่มือ NMOS และ PMOS - วิธีการทำงานข้อดีและข้อเสียแอปพลิเคชันตารางความจริงการเปรียบเทียบทั้งสอง

ในด้านวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ความเข้าใจและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เป็นหนึ่งในทักษะหลักซึ่งเทคโนโลยีและการประยุกต์ใช้ NMOS (เซมิคอนดักเตอร์ออกไซด์โลหะเชิงลบ) และทรานซิสเตอร์ออกไซด์ของโลหะออกไซด์เชิงบวก) มีความสำคัญต่อการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภทนี้ทำงานตามสายการบินที่แตกต่างกัน (อิเล็กตรอนและหลุม) ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และ P-type ตามลำดับแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์และหลักการทำงานทรานซิสเตอร์ NMOS ดำเนินการกระแสผ่านอิเล็กตรอนในขณะที่ทรานซิสเตอร์ PMOS ดำเนินการกระแสผ่านหลุมความแตกต่างนี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้งานและประสิทธิภาพในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บทความนี้จะวิเคราะห์คำจำกัดความหลักการทำงานข้อได้เปรียบทางเทคนิคและข้อเสียของทรานซิสเตอร์ทั้งสองนี้และเปรียบเทียบสถานการณ์แอปพลิเคชันของพวกเขาเพื่อเปิดเผยความสำคัญและความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

ทรานซิสเตอร์ NMOS เป็นตัวย่อของ N-type metal ออกไซด์ Semiconductor Effect Effect Transistor ซึ่งต้องอาศัยอิเล็กตรอนเพื่อดำเนินการกระแสไฟฟ้าส่วนประกอบที่มาและท่อระบายน้ำนั้นทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ N-typeส่วนประกอบ GATE ควบคุมกระแสผ่านการควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์ NMOS ทำงานโดยใช้แรงดันไฟฟ้าบวกกับประตูโดยปกติจะทำโดยการเปลี่ยนเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าหรือปรับเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟการทำเช่นนั้นสร้างเส้นทางอิเล็กตรอนระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำการดำเนินการนี้ต้องการการควบคุมระดับแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำและเวลาของแอปพลิเคชันความแม่นยำนี้อำนวยความสะดวกในการก่อตัวของช่องสัญญาณนำไฟฟ้าที่เสถียรหากแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไปหรือต่ำเกินไปหรือใช้ในเวลาที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้ทรานซิสเตอร์ลดลงหรือเสียหาย

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเกตเรียกว่าแรงดันเกต-แหล่งกำเนิด (V_GS)เมื่อ V_GS เกินเกณฑ์ที่แน่นอนเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ (V_TH) ชั้นผกผันจะเกิดขึ้นระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำเลเยอร์นี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและบาง แต่บางพอที่จะให้กระแสไหลทำให้ทรานซิสเตอร์สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ได้รับผลกระทบจากการออกแบบทางกายภาพและวัสดุการผลิตของทรานซิสเตอร์และถูกตั้งค่าในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ

ทรานซิสเตอร์ NMOS เป็นที่ต้องการสำหรับแอพพลิเคชั่นความเร็วสูงเนื่องจากความสามารถในการสลับอย่างรวดเร็วนี่เป็นเพราะอิเล็กตรอนที่มีกระแสในทรานซิสเตอร์ NMOS มีความคล่องตัวสูงกว่ารูและสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้เร็วขึ้นเป็นผลให้ทรานซิสเตอร์ NMOS สามารถเปิดและปิดได้อย่างรวดเร็วส่งผลให้การประมวลผลเร็วขึ้นและเวลาตอบสนองที่เร็วขึ้น

ข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือขนาดกะทัดรัดการออกแบบทางกายภาพของทรานซิสเตอร์ NMOS ทำให้เล็กกว่าทรานซิสเตอร์ประเภทอื่น ๆสิ่งนี้ช่วยให้ทรานซิสเตอร์มากขึ้นสามารถบรรจุลงในพื้นที่ขนาดเล็กลงช่วยสร้างวงจรรวมที่เล็กลงและหนาแน่นขึ้นการย่อขนาดนี้ต้องการความแม่นยำสูงกว่าและเทคโนโลยีขั้นสูงในระหว่างการประกอบจริงและการบัดกรีของแผงวงจรผู้ประกอบการมักจะต้องใช้เครื่องมือและเทคนิคที่ซับซ้อนเช่นเครื่องมือขนาดเล็กและอุปกรณ์การวางตำแหน่งที่มีความแม่นยำเพื่อจัดการและรวบรวมส่วนประกอบเล็ก ๆ เหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้จะมีข้อได้เปรียบเหล่านี้ แต่ทรานซิสเตอร์ NMOS ก็มีข้อเสียปัญหาที่สำคัญคือการใช้พลังงานค่อนข้างสูงในสถานะ "ON" ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของอิเล็กตรอนสิ่งนี้สามารถทำให้อุปกรณ์ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานในการบริโภคพลังงานมากขึ้นและอาจร้อนเกินไปเพื่อแก้ไขปัญหานี้ผู้ประกอบการจะต้องพิจารณากลยุทธ์การจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพในระหว่างขั้นตอนการออกแบบและการทดสอบเช่นการเพิ่มอ่างล้างมือความร้อนหรือพัดลมเพื่อกระจายความร้อนส่วนเกิน

นอกจากนี้ทรานซิสเตอร์ NMOS มีอัตราการรบกวนต่ำกว่าเมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ประเภทอื่นขอบเสียงเป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดหรือความผันผวนในปัจจุบันที่วงจรสามารถทนต่อการทำงานโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้นทรานซิสเตอร์ NMOS สามารถมีความเสถียรน้อยลงและไวต่อการรบกวนน้อยลงส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของพวกเขาผู้ประกอบการและนักออกแบบจะต้องพิจารณาสิ่งนี้และอาจรวมการป้องกันเพิ่มเติมหรือเลือกส่วนประกอบทางเลือกสำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเสียงรบกวน

ทรานซิสเตอร์ PMOS ได้แก่ ทรานซิสเตอร์กึ่งตัวนำของโลหะออกไซด์ชนิด P-type ออกไซด์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ P-type เป็นแหล่งที่มาและระบายน้ำเมื่อเปรียบเทียบกับทรานซิสเตอร์ NMOS ของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N-type ทรานซิสเตอร์ PMOS ทำงานในกลไกตรงกันข้ามและพึ่งพาผู้ให้บริการที่มีประจุบวกคือหลุมเพื่อดำเนินการในปัจจุบัน

เมื่อแรงดันลบถูกนำไปใช้กับประตู (เทียบกับแหล่งที่มา) การเปลี่ยนแปลงต่อไปนี้จะเกิดขึ้น: การก่อตัวของสนามไฟฟ้าทำให้หลุมในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P-type ระหว่างแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำเข้าใกล้ประตูการสร้างช่องว่างระหว่างแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำพื้นที่สะสมของหลุมเกิดขึ้นระหว่างพวกเขานั่นคือช่องทางนำไฟฟ้าช่องนี้ช่วยให้กระแสไหลได้อย่างราบรื่นทำให้ทรานซิสเตอร์ดำเนินการกระบวนการใช้แรงดันไฟฟ้าเชิงลบต้องมีการควบคุมขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำและเวลาของการใช้งานเพื่อให้แน่ใจว่าช่องสัญญาณนำไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายเนื่องจากแรงดันไฟฟ้ามากเกินไปการดำเนินการนี้มักจะดำเนินการผ่านระบบการจัดการพลังงานที่แม่นยำซึ่งต้องการการตรวจสอบโวลต์เมตรและแอมป์เมตรเพื่อปรับและยืนยันความถูกต้องของแรงดันไฟฟ้าเมื่อปรับแรงดันไฟฟ้าเกตค่าแรงดันไฟฟ้าลบที่ต้องการจะต้องคำนวณอย่างแม่นยำเนื่องจากสิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อความเร็วในการตอบสนองและประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำเกินไปอาจทำให้ทรานซิสเตอร์ไม่สามารถดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงเกินไปอาจสร้างความเสียหายให้กับทรานซิสเตอร์หรือลดความมั่นคงในระยะยาว

ทรานซิสเตอร์ PMOS มีค่าสูงในวงจรที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะพวกเขาใช้พลังงานน้อยลงเมื่อเปิดใช้งานประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้เป็นเพราะกระแสในทรานซิสเตอร์ PMOS ดำเนินการโดยหลุมซึ่งต้องใช้พลังงานน้อยกว่าอิเล็กตรอนคุณลักษณะนี้ทำให้ทรานซิสเตอร์ PMOS เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่หรือพลังงานที่ไวต่อพลังงานซึ่งต้องการการอนุรักษ์พลังงาน

นอกจากนี้ทรานซิสเตอร์ PMOS มีความทนทานต่อเสียงรบกวนที่ยอดเยี่ยมทำให้พวกเขาเชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูงความสามารถในการทนต่อความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่คาดคิดช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างวงจรที่มีเสถียรภาพมากขึ้นความเสถียรนี้อำนวยความสะดวกในการออกแบบเส้นทางการส่งสัญญาณที่สอดคล้องและมีประสิทธิภาพซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์โดยรวมในระหว่างการจัดวางวงจรและการทดสอบ

ข้อเสียคือทรานซิสเตอร์ PMOS มีข้อ จำกัด บางประการที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของพวกเขาในแอปพลิเคชันที่รวดเร็วความคล่องตัวของหลุม (ผู้ให้บริการประจุในทรานซิสเตอร์ PMOS) ต่ำกว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนการเคลื่อนไหวที่ต่ำกว่าส่งผลให้การสลับช้าลงเมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ NMOSหากปัญหานี้จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขนักออกแบบวงจรจะต้องใช้การควบคุมเวลาอย่างระมัดระวังและหาวิธีในการปรับปรุงเวลาตอบสนองกลยุทธ์อาจรวมถึงการปรับเค้าโครงวงจรให้เหมาะสมหรือการรวมทรานซิสเตอร์หลายตัวควบคู่ไปกับการทำงานที่เร็วขึ้น

นอกจากนี้ขนาดทางกายภาพของทรานซิสเตอร์ PMOS ทำให้เกิดความท้าทายต่อแนวโน้มปัจจุบันของการย่อขนาดวงจรรวมเมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงและความต้องการส่วนประกอบขนาดกะทัดรัดยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่องนักออกแบบและวิศวกรจึงถูกบังคับให้พัฒนาวิธีการที่เป็นนวัตกรรมวิธีการเหล่านี้อาจเกี่ยวข้องกับการคิดใหม่การออกแบบทรานซิสเตอร์หรือใช้เทคโนโลยีใหม่เพื่อลดขนาดทรานซิสเตอร์ในขณะที่ยังคงรักษาข้อดีของการใช้พลังงานต่ำและภูมิคุ้มกันที่มีเสียงรบกวนสูง

ในทั้งสองโต๊ะ:

"Gate Voltage (V_GS)" หมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเทอร์มินัลเกตเทียบกับเทอร์มินัลต้นทาง

"แหล่งกำเนิด-สายเลือด (I_DS)" ระบุว่ากระแสสามารถไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังเทอร์มินัลท่อระบายน้ำได้หรือไม่

"รัฐทรานซิสเตอร์" ระบุว่าทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะ (ดำเนินการ) หรือสถานะนอก (ไม่ดำเนินการ)

สำหรับทรานซิสเตอร์ NMOS เมื่อแรงดันเกตสูง (ลอจิก 1) ทรานซิสเตอร์จะดำเนินการ (เปิด) ซึ่งจะช่วยให้กระแสไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำในทางกลับกันเมื่อแรงดันเกตต่ำ (ลอจิก 0) ทรานซิสเตอร์จะถูกปิดและไม่มีกระแสกระแสที่ประเมินค่าได้

สำหรับทรานซิสเตอร์ PMOS เมื่อแรงดันเกตต่ำ (ลอจิก 0) ทรานซิสเตอร์จะดำเนินการ (เปิด) ทำให้กระแสไหลจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดเมื่อแรงดันเกตสูง (ตรรกะ 1) ทรานซิสเตอร์จะถูกปิดและกระแสกระแสเล็กน้อยเล็กน้อย

PMOS (โลหะออกไซด์ที่เป็นบวกออกไซด์) และ NMOS (โลหะออกไซด์ลบออกไซด์) ทรานซิสเตอร์มีบทบาทสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์แต่ละประเภทใช้ผู้ให้บริการประจุและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันซึ่งมีผลต่อการทำงานและความเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน

อิเล็กตรอนซึ่งเป็นผู้ให้บริการค่าใช้จ่ายในทรานซิสเตอร์ NMOS มีความคล่องตัวสูงกว่าเมื่อเทียบกับหลุมที่ใช้ในทรานซิสเตอร์ PMOS ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ช่วยให้สามารถใช้งานได้เร็วขึ้นอุปกรณ์ NMOS มักจะมีราคาไม่แพงในการผลิตอย่างไรก็ตามพวกเขามักจะใช้พลังงานมากขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานะ "ON" เนื่องจากพวกเขาดึงกระแสจำนวนมากเพื่อทำงานต่อไป

ในทางตรงกันข้ามทรานซิสเตอร์ PMOS มีกระแสรั่วไหลต่ำในสถานะ "ปิด" ทำให้พวกเขาเหมาะสมกว่าสำหรับการใช้งานที่ต้องลดการใช้พลังงานที่ไม่ได้ใช้งานนอกจากนี้อุปกรณ์ PMOS มีความแข็งแกร่งมากขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของหลุมที่ต่ำกว่าซึ่งทำให้พวกเขามีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในปัจจุบันโดยทั่วไปแล้วทรานซิสเตอร์ PMOS จะทำงานช้ากว่าทรานซิสเตอร์ NMOS เนื่องจากการเคลื่อนไหวที่ต่ำกว่า

ตัวเลือกระหว่างทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS ขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชันNMOS มักเป็นตัวเลือกแรกสำหรับแอปพลิเคชันที่ความเร็วและความคุ้มค่าเป็นลำดับความสำคัญในทางกลับกัน PMOS เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ต้องการเสถียรภาพภายใต้สภาวะแรงดันสูงและกระแสรั่วไหลต่ำ

วงจรที่ทันสมัยหลายแห่งใช้ทั้ง NMOS และ PMOS ทรานซิสเตอร์ในลักษณะเสริมการกำหนดค่าที่เรียกว่า CMOS (เซมิคอนดักเตอร์ออกไซด์ของโลหะออกไซด์)วิธีการนี้ใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบของทั้งสองประเภททรานซิสเตอร์เพื่อเปิดใช้งานการประหยัดพลังงานและการออกแบบประสิทธิภาพสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เป็นประโยชน์สำหรับวงจรรวมดิจิตอลที่ต้องใช้พลังงานต่ำและความเร็วสูง

เมื่อเปรียบเทียบทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS เป็นที่ชัดเจนว่าแต่ละประเภทมีข้อดีโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ในการออกแบบวงจร CMOSทรานซิสเตอร์ NMOS มีมูลค่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับความสามารถในการสลับอย่างรวดเร็วและความคุ้มค่าทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งต้องการการตอบสนองอย่างรวดเร็วในทางกลับกันทรานซิสเตอร์ PMOS นั้นยอดเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและแรงดันไฟฟ้าสูงมีความสำคัญเนื่องจากกระแสการรั่วไหลต่ำและความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าที่แข็งแกร่งในทางปฏิบัติวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์จะต้องเลือกประเภทของทรานซิสเตอร์อย่างระมัดระวังเพื่อใช้ตามความต้องการเฉพาะของโครงการสำหรับแอปพลิเคชันที่ความเร็วและงบประมาณเป็นลำดับความสำคัญ NMOs มักจะต้องการสำหรับโครงการที่การอนุรักษ์พลังงานและการจัดการแรงดันไฟฟ้าสูงเป็นสิ่งสำคัญทรานซิสเตอร์ PMOS มีความเหมาะสมมากกว่า

ในการออกแบบวงจรจำนวนมาก PMOS และ NMO มักจะใช้เสริมหากพวกมันถูกสลับการทำงานของวงจรอาจเปลี่ยนแปลงหรือทำให้วงจรไม่สามารถใช้งานได้ตัวอย่างเช่นในเทคโนโลยี CMOS มักใช้ PMOS เพื่อดึงเอาต์พุตสูงในขณะที่ NMOS ใช้เพื่อดึงเอาต์พุตต่ำการสลับทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภทนี้จะทำให้ตรรกะเอาต์พุตกลับด้านส่งผลกระทบต่อพฤติกรรมตรรกะของวงจรทั้งหมด

ทั้ง NMOS และ PMOS สามารถใช้เป็นแหล่งปัจจุบัน แต่แต่ละคนมีข้อดีในการใช้งานเฉพาะโดยทั่วไปเนื่องจากการเคลื่อนย้ายของทรานซิสเตอร์ NMOS (การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน) สูงกว่าการเคลื่อนที่ของหลุมใน PMOS NMOs จะดำเนินการไฟฟ้าได้ดีขึ้นในสถานะ ON และสามารถให้กระแสที่มีเสถียรภาพมากขึ้นสิ่งนี้ทำให้ NMOS เป็นตัวเลือกแหล่งที่มาปัจจุบันที่ดีขึ้นในกรณีส่วนใหญ่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ขนาดและความเสถียรในปัจจุบันมีความสำคัญ

เนื่องจากผู้ให้บริการของทรานซิสเตอร์ PMOS เป็นหลุมและความคล่องตัวของพวกเขาต่ำกว่าอิเล็กตรอนในทรานซิสเตอร์ NMOS เพื่อให้ได้ความสามารถในปัจจุบันเช่นเดียวกับ NMOS ขนาดของทรานซิสเตอร์ PMOS มักจะต้องมีขนาดใหญ่กว่า NMOSซึ่งหมายความว่าขนาดทางกายภาพของทรานซิสเตอร์ PMOS มักจะมีขนาดใหญ่กว่าของทรานซิสเตอร์ NMOS ในกระบวนการผลิตเดียวกัน

ใช่โดยทั่วไป PMOS มีความต้านทานสูงกว่า NMOSนี่เป็นเพราะผู้ให้บริการนำไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ PMOS เป็นหลุมซึ่งการเคลื่อนที่ต่ำกว่าอิเล็กตรอนใน NMOSผลการเคลื่อนย้ายต่ำส่งผลให้เกิดความต้านทานสูงขึ้นซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมในแอปพลิเคชันจำนวนมาก NMOs จึงเป็นที่ต้องการมากกว่า PMOS หากพื้นที่และใบอนุญาตการกระจายพลังงาน