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电子和空穴——为什么在同等电流下PMOS的尺寸要比NMOS的大?

09/30 11:04 作者:加油射频工程师
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自然界的基本构造单元是原子,而原子又是由质子,中子和电子组成的。自然界的任何事物都是由96种稳定元素和12种不稳定元素组成的,包括我们人类。每种元素有不同的原子结构,因此有不同的物理,化学和电性能。

质子带正电,中子不带电,电子不带电。

质子和中子集中在原子核中,电子围绕原子核运动,且是在固定的轨道上。

 

电子在轨道上有一定的分布规则,即每个轨道(n)只能容纳2nXn个电子。

也就是说,1号轨道上最多只能容纳2个电子;2号轨道上最多只能容纳8个电子;3号轨道上最多只能容纳18个电子......

最外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的,这些原子在化学性质上要比最外层未填满的原子更稳定。而原子会试图与其他原子结合形成稳定的条件,即各轨道被填满或者最外层有8个电子。

最外层的电子称为价电子。比如,钠原子最外层电子数为1,所以易失去电子,性质很不稳定;氖最外层电子为电子数为8,所以性质很稳定,不易与其他物质发生反应。

而作为半导体材料的硅,最外层电子数为4。所以经过合适的工艺,硅原子可以形成硅晶体。即每个硅原子周围有4个硅原子,每个硅原子与其相邻的硅原子共享最外层电子,形成共价键,使得每个硅原子看上去都有8个最外层电子。

当温度为绝对0度时,即T-->0K时,硅晶表现为绝缘体,因为所有的价电子都待在共价键内。

即当在绝对0度时,给硅晶施加电压,是不会有电流产生的。

当温度升高时,电子获得热能,可能会从共价键内挣脱出来,变为自由电子。

所有半导体的导电性能处于导体和绝缘体之间,没导体那么好,但是有能导那么一点点的电。

Si和Ge最外层都有4个电子,但是电子从共价键挣脱出来所需的能量不一样,即Bandgap Energy不一样,所有其自由电子的密度随温度的变化曲线不一样,所有性能上也会有所差别。

当一个价电子成为自由电子,其离开后的位置,即称为空穴。

半导体中的载流子有两种,分别为电子和空穴。

而电子的移动速度要比空穴的移动速高,也就是说电子的迁移率要比空穴的迁移率高。

这是因为,当自由电子形成后,它不需要与其他原子进行交互,独立运动。而对于空穴而言,它是需要与其他原子进行交互的,比如说,空穴想从位置1移动到位置3,它不是像电子一样,直接就过去了,而是需要位置2的电子进入位置1中的空穴,以在位置2形成空穴,然后位置3的电子跳入位置2的空穴,以在位置3形成空穴,也就是需要不断重复release-trap-release的过程。

这也是为什么用PMOS和NMOS设计电路时,要想得到同样的电流时,PMOS所需要的尺寸(W/L)要比NMOS来的大。

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