NMOS ja PMOS Guide - miten se toimii, edut ja haitat, sovellukset, totuustaulukot, näiden kahden vertailu

Modernin elektronisen tekniikan alalla puolijohdeteknologian ymmärtäminen ja soveltaminen on yksi ydintaidoista, joiden joukossa NMOS: n (negatiivisen metallioksidioksidipuolen puolijohde) ja PMOS: n (positiivisen metallioksidipemonductor) transistorit ovat tärkeitä piirin suunnittelussa.Nämä kaksi transistorityyppiä työskentelevät N-tyypin ja P-tyypin puolijohdemateriaalien erilaisten varauskuljettajien (elektronien ja reikien) perusteella osoittaen niiden ainutlaatuiset fysikaaliset ominaisuudet ja työperiaatteet.NMOS -transistorit käyttävät virtaa elektronien kautta, kun taas PMOS -transistorit käyttävät virtaa reikien kautta.Tämä ero vaikuttaa suoraan niiden sovellustehokkuuteen ja suorituskykyyn elektronisissa laitteissa.Tässä artikkelissa analysoidaan syvästi näiden kahden transistorin määritelmää, työperiaatetta, teknisiä etuja ja haittoja ja verrataan heidän sovellusskenaarioitaan paljastaakseen niiden merkityksen ja täydentävyyden nykyaikaisessa elektronisessa tekniikassa.

NMOS-transistori on N-tyyppisen metallioksidin puolijohde-kenttätransistorin lyhenne, joka riippuu elektroneista virran suorittamiseksi.Sen lähde- ja tyhjennyskomponentit on valmistettu N-tyyppisistä puolijohdemateriaaleista., Gate -komponentti säätelee virtaa jännitteen ohjauksella.

NMOS -transistorit toimivat soveltamalla positiivista jännitettä porttiin.Tämä tehdään yleensä kääntämällä jännitesäädin tai säätämällä virtalähteen lähtöä.Näin toimiminen luo elektronipolun lähteen ja viemärin välillä.Tämä toimenpide vaatii jännitteiden tarkan hallinnan ja niiden sovelluksen ajoituksen.Tämä tarkkuus helpottaa vakaiden johtavien kanavien muodostumista.Jos jännite on liian korkea tai liian matala tai levitetään väärään aikaan, se voi aiheuttaa transistorin hajoamisen tai jopa vaurioitumisen.

Porttiin käytettyä jännitettä kutsutaan portti-lähteen jänniteeksi (V_GS).Kun V_GS ylittää tietyn kynnyksen, jota kutsutaan kynnysjänniteeksi (v_th), lähteen ja tyhjennyksen välillä muodostuu inversiokerros.Tämä kerros koostuu elektroneista ja on ohut, mutta riittävän ohut, jotta virta virtaisi, jolloin transistori voi johtaa sähköä.Transistorin fyysinen suunnittelu ja valmistusmateriaalit vaikuttavat kynnysjännitteeseen, ja se on asetettu suunnitteluvaiheessa.

NMOS-transistorit ovat parempia nopeiden sovelluksiin niiden nopean kytkentäominaisuuksien vuoksi.Tämä johtuu pääasiassa siitä, että NMOS -transistorien virtaa kantavilla elektroneilla on suurempi liikkuvuus kuin reikillä ja ne voivat liikkua puolijohdemateriaalin läpi nopeammin.Seurauksena on, että NMOS -transistorit voivat kytkeä päälle ja pois päältä erittäin nopeasti, mikä johtaa nopeampaan käsittelyyn ja nopeampaan vasteaikaan.

Toinen merkittävä etu on kompakti koko.NMOS -transistorien fyysinen suunnittelu tekee niistä pienemmät kuin monet muut transistorit.Tämä antaa enemmän transistoreita pakata pienempään tilaan, mikä auttaa luomaan pienempiä, tiheämpiä integroituja piirejä.Tämä miniatyrisointi vaatii suurempaa tarkkuutta ja edistynyttä tekniikkaa piirilevyjen todellisen kokoonpanon ja juottamisen aikana.Operaattoreiden on usein käytettävä hienostuneita työkaluja ja tekniikoita, kuten mikropantaustyökaluja ja tarkkuuden paikannuslaitteita, näiden pienten komponenttien tehokkaaseen käsittelyyn ja kokoamiseksi.

Näistä eduista huolimatta NMOS -transistoreilla on haitat.Tärkeä kysymys on heidän suhteellisen suuri virrankulutus "on" -tilassa, joka johtuu elektronien nopeasta liikkumisesta.Tämä voi aiheuttaa laitteita, jotka käyvät jatkuvasti pitkään kuluttaa enemmän energiaa ja mahdollisesti ylikuumentua.Tämän ongelman ratkaisemiseksi operaattoreiden on harkittava tehokkaita lämmönhallintastrategioita suunnittelu- ja testausvaiheissa, kuten jäähdytyselementtien tai puhaltimien lisääminen ylimääräisen lämmön häviämiseen.

Lisäksi NMOS -transistoreilla on alhaisempi melamarginaali verrattuna muun tyyppisiin transistoreihin.Melun marginaali on suurin jännite tai virran vaihtelu, jonka piiri kestää vaikuttamatta sen normaaliin toimintaan.Ympäristöissä, joissa on korkeampi elektroninen melu, NMOS -transistorit voivat tulla vähemmän vakaiksi ja alttiimpiin häiriöille, mikä vaikuttaa niiden suorituskykyyn ja luotettavuuteen.Operaattoreiden ja suunnittelijoiden on harkittava tätä ja voivat sisältää ylimääräisiä suojauksia tai valita vaihtoehtoisia komponentteja meluherkkään sovellukseen.

PMOS-transistori, nimittäin P-tyypin metallioksidi puolijohde-kenttävaikutteiset transistori, on laite, joka käyttää P-tyypin puolijohdemateriaalia lähteenä ja tyhjennyksenä.Verrattuna N-tyyppisten puolijohteiden NMOS-transistoreihin, PMOS-transistorit toimivat vastakkaisessa mekanismissa ja luottavat positiivisiin varauskuljettajiin, nimittäin reikiin, virran suorittamiseen.

Kun porttiin kohdistetaan negatiivinen jännite (suhteessa lähteeseen), tapahtuu seuraavia muutoksia: Sähkökentän muodostuminen aiheuttaa reikiä P-tyypin puolijohteessa lähteen ja viemärin välillä siirtyäkseen lähemmäksi porttia, sitenLuoden luominen lähteen ja viemärin välillä.Niiden väliin muodostuu reiän kertymisalue, toisin sanoen johtava kanava.Tämä kanava antaa virran virtaa sujuvasti, aiheuttaen transistorin johtamisen.Negatiivisen jännitteen levitysprosessi vaatii jännitteen suuruuden tarkan hallinnan ja levitysajan varmistaakseen, että johtava kanava muodostuu tosiasiallisesti aiheuttamatta vaurioita liiallisesta jännitteestä.Tämä toimenpide suoritetaan yleensä tarkan virranhallintajärjestelmän kautta, joka vaatii volttmeterien ja ampuma -ammusten seurantaa jännitteen oikeellisuuden säätämiseksi ja vahvistamiseksi.Kun säädetään portin jännitettä, vaadittu negatiivinen jännitearvo on laskettava tarkasti, koska tämä vaikuttaa suoraan transistorin vasteen nopeuteen ja tehokkuuteen.Liian alhainen jännite voi aiheuttaa transistorin epäonnistumisen tehokkaasti, kun taas liian korkea jännite voi vahingoittaa transistoria tai vähentää sen pitkäaikaista vakautta.

PMOS -transistorit ovat erittäin arvokkaita piireissä, joissa tehon tehokkuus on tärkeää, etenkin siksi, että ne kuluttavat vähemmän voimaa päällä.Tämä tehokkuuden lisääntyminen johtuu siitä, että PMOS -transistorin virtaa kuljetetaan reikillä, jotka vaativat vähemmän energiaa liikkumiseen kuin elektronit.Tämä ominaisuus tekee PMOS-transistoreista, jotka ovat ihanteellisia akkukäyttöisille tai energiaherkälle laitteelle, jotka vaativat energiansäästöä.

Lisäksi PMOS -transistoreilla on erinomainen melutoleranssi, mikä tekee niistä luotettavia ympäristöissä, joissa on korkeat sähköhäiriöt.Niiden kyky kestää odottamattomia jännitteiden vaihteluita antaa insinööreille mahdollisuuden luoda vakaampia piirejä.Tämä vakaus helpottaa johdonmukaisten ja vankkajen signaalin lähetyspolkujen suunnittelua, mikä parantaa laitteen yleistä luotettavuutta piirin asettelun ja testauksen aikana.

Haittapuoli on, että PMOS-transistoreilla on joitain rajoituksia, jotka vaikuttavat niiden suorituskykyyn nopeatempoisissa sovelluksissa.Reikien liikkuvuus (varauskuljettajat PMOS -transistoreissa) on pienempi kuin elektronien liikkuvuus.Pienempi liikkuvuus johtaa hitaampaan kytkemiseen verrattuna NMOS -transistoreihin.Jos tämä ongelma on ratkaistava, piirisuunnittelijoiden on toteutettava huolellinen ajoituksen hallinta ja löydettävä tapoja parantaa vasteaikaa.Strategiat voivat sisältää piirin asettelun optimoinnin tai useiden transistorien integroinnin rinnakkain nopeammin.

Lisäksi PMOS -transistorien fyysinen koko asettaa haasteen integroidun piirin miniatyrisoinnin nykyiselle suuntaukselle.Kun elektroniset laitteet pienenevät ja kompaktien komponenttien tarve kasvaa edelleen, suunnittelijat ja insinöörit pakotetaan kehittämään innovatiivisia lähestymistapoja.Näihin lähestymistapoihin voi kuulua transistorisuunnittelun uudelleenarviointi tai uusien tekniikoiden käyttäminen transistorin koon pienentämiseksi säilyttäen samalla alhaisen tehonkulutuksen ja suuren melun immuniteetin edut.

Molemmissa taulukoissa:

"Gate -jännite (V_GS)" viittaa portin päätteeseen kohdistuvaan jännitteeseen verrattuna lähdeliittimeen.

"Lähde-kuivavirta (I_DS)" osoittaa, voiko virta virtaa lähteestä viemäripäätteeseen.

"Transistoritila" määrittelee, onko transistori tilassa (johtamassa) vai off -tilassa (ei johtamassa).

NMOS -transistorille, kun porttijännite on korkea (logiikka 1), transistori johtaa (päällä), jolloin virran virtaisi lähteestä viemäriin.Päinvastoin, kun portin jännite on alhainen (logiikka 0), transistori on sammutettu, eikä huomattavia virtavirtoja.

PMOS -transistoreille, kun porttijännite on alhainen (logiikka 0), transistori johtaa (ON), jolloin virta voi virtaa viemäristä lähteeseen.Kun portin jännite on korkea (logiikka 1), transistori on sammutettu ja vähäiset virtavirrat.

PMOS (positiivinen metallioksidi puolijohde) ja NMO: lla (negatiivisen metallioksidin puolijohde) transistoreilla on tärkeä rooli elektronisissa piireissä.Jokaisessa tyypissä käytetään erilaisia ​​varauskuljettajia ja puolijohdemateriaaleja, mikä vaikuttaa sen toiminnallisuuteen ja soveltuvuuteen eri sovelluksiin.

Elektronit, jotka ovat NMOS -transistoreiden varauskuljettajia, on suurempi liikkuvuus verrattuna PMOS -transistoreilla käytettyihin reikiin, ominaisuus, joka mahdollistaa nopeamman toiminnan.NMOS -laitteet ovat myös tyypillisesti halvempia.Heillä on kuitenkin taipumus kuluttaa enemmän valtaa, etenkin "on" -tilassa, koska ne vetävät paljon virtaa jatkamaan juoksua.

Sitä vastoin PMOS -transistoreilla on alhaisemmat vuotovirrat "OFF" -tilassa, mikä tekee niistä sopivampia sovelluksiin, joissa tyhjäkäynnin kulutusta on minimoitava.Lisäksi PMOS -laitteet ovat vankempia korkeilla jännitteillä reikien alhaisemman liikkuvuuden ansiosta, mikä tekee niistä vähemmän alttiita virran nopealle muutoksille.PMOS -transistorit toimivat tyypillisesti hitaammin kuin NMOS -transistorit niiden alemman liikkuvuuden vuoksi.

Valinta NMO: n ja PMOS -transistorien välillä riippuu suurelta osin sovelluksen erityistarpeista.NMOS on usein ensimmäinen valinta sovelluksille, joissa nopeus ja kustannustehokkuus ovat etusijalla.Toisaalta PMOS sopii paremmin ympäristöihin, jotka vaativat vakautta korkeajännitteessä ja alhaisessa vuotovirrassa.

Monet nykyaikaiset piirit hyödyntävät sekä NMOS- että PMOS -transistoreita komplementaarisesti, konfiguraatiota nimeltään CMOS (komplementaarinen metallioksidi puolijohde).Tämä lähestymistapa hyödyntää molempien transistorityyppien etuja energiansäästö- ja korkean suorituskyvyn mallien mahdollistamiseksi, erityisesti hyödyllisiä digitaalisille integroiduille piireille, jotka vaativat vähäistä virrankulutusta ja suurta nopeutta.

Vertaamalla NMOS- ja PMOS -transistoreita on selvää, että jokaisella tyypillä on etuja, etenkin kun sitä käytetään CMOS -piirimalleissa.NMOS-transistorit arvostetaan erityisesti niiden nopeasta kytkentäominaisuudesta ja kustannustehokkuudesta, mikä tekee niistä ihanteellisia korkean suorituskyvyn sovelluksiin, jotka vaativat nopeaa vastausta.PMOS -transistorit puolestaan ​​ovat erinomaisia ​​ympäristöissä, joissa tehon hyötysuhde ja korkea jännite ovat kriittisiä johtuen niiden luontaisesti alhaisesta vuotovirrasta ja voimakasta jännitteen stabiilisuutta.Käytännössä elektroniikkainsinöörien on valittava huolellisesti käytettävä transistorityyppi projektin erityistarpeiden perusteella.Hakemuksissa, joissa nopeus ja budjetti ovat prioriteetteja, NMO: t ovat usein suositeltavia.Sen sijaan hankkeille, joissa energiansäästö ja korkeajännitteet ovat kriittisiä, PMOS -transistorit ovat sopivampia.

Monissa piirimalleissa PMOS ja NMO: t käytetään usein täydentäviä.Jos ne vaihdetaan, piirin toiminnallisuus voi muuttaa tai aiheuttaa piirin toimimattoman.Esimerkiksi CMOS -tekniikassa PMOS: ää käytetään tyypillisesti ulostulon vetämiseen korkealle, kun taas NMOS: ää käytetään tulosteen alhaiseen vetämiseen.Näiden kahden transistorityypin vaihtaminen aiheuttaa lähtölogiikan kääntymisen, mikä vaikuttaa koko piirin logiikkakäyttäytymiseen.

Sekä NMOS: ta että PMOS: ta voidaan käyttää nykyisinä lähteinä, mutta niillä on jokaisella etuja tietyissä sovelluksissa.Yleisesti ottaen, koska NMOS -transistorien (elektronien liikkuvuus) liikkuvuus on korkeampi kuin PMOS: n reikien liikkuvuus, NMOS johtaa sähköä paremmin ON -tilassa ja voi tarjota vakaamman virran.Tämä tekee NMOS: sta paremman nykyisen lähdevaihdon useimmissa tapauksissa, etenkin sovelluksissa, joissa nykyinen koko ja vakaus ovat tärkeitä.

Koska PMOS -transistorien kantajat ovat reikiä ja niiden liikkuvuus on alhaisempi kuin NMOS -transistoreiden elektronien, samaan virran kyvyn saavuttamiseksi kuin NMO: t, PMOS -transistorien koon on yleensä oltava suurempi kuin NMOS: n.Tämä tarkoittaa, että PMOS -transistorien fysikaalinen koko on yleensä suurempi kuin NMOS -transistorien samassa valmistusprosessissa.

Kyllä, PMOS: lla on yleensä korkeampi vastus kuin NMO: lla.Tämä johtuu siitä, että PMOS -transistorien johtavat kantajat ovat reikiä, joiden liikkuvuus on alhaisempi kuin elektronit NMO: ssa.Matala liikkuvuus johtaa suurempaan vastustuskykyyn, minkä vuoksi monissa sovelluksissa NMO: t ovat parempia kuin PMO: t, jos pinta -ala ja virran hajoaminen sallivat.