راهنمای NMOS و PMOS - چگونه کار می کند ، جوانب مثبت و منفی ، برنامه ها ، جداول حقیقت ، مقایسه این دو

در زمینه مهندسی الکترونیکی مدرن ، درک و استفاده از فناوری نیمه هادی یکی از مهارت های اصلی است که از جمله آنها ترانزیستورهای NMO (نیمه هادی اکسید فلزی منفی) و PMOS (نیمه هادی اکسید فلزی مثبت) برای طراحی مدار بسیار مهم هستند.این دو نوع ترانزیستور بر اساس حامل های مختلف بار (الکترون و سوراخ) از مواد نیمه هادی از نوع N و P به ترتیب کار می کنند و خصوصیات بدنی منحصر به فرد و اصول کار خود را نشان می دهند.ترانزیستورهای NMOS جریان را از طریق الکترون ها انجام می دهند ، در حالی که ترانزیستورهای PMOS جریان را از طریق سوراخ ها انجام می دهند.این تفاوت به طور مستقیم بر کارآیی کاربرد و عملکرد آنها در دستگاه های الکترونیکی تأثیر می گذارد.این مقاله عمیقاً تعریف ، اصل کار ، مزایای فنی و مضرات این دو ترانزیستور را به طور عمیق مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهد و سناریوهای کاربردی آنها را برای آشکار کردن اهمیت و مکمل آنها در فناوری الکترونیکی مدرن مقایسه می کند.

ترانزیستور NMOS مخفف ترانزیستور اثر نیمه هادی اکسید فلزی از نوع N است که برای انجام جریان به الکترون ها متکی است.اجزای منبع و تخلیه آن هر دو از مواد نیمه هادی از نوع N ساخته شده اند.، مؤلفه دروازه جریان را از طریق کنترل ولتاژ تنظیم می کند.

ترانزیستورهای NMOS با استفاده از ولتاژ مثبت به دروازه کار می کنند.این کار معمولاً با چرخاندن یک تنظیم کننده ولتاژ یا تنظیم خروجی منبع تغذیه انجام می شود.انجام این کار یک مسیر الکترون بین منبع و تخلیه ایجاد می کند.این عمل نیاز به کنترل دقیق سطح ولتاژ و زمان کاربرد آنها دارد.این دقت ، تشکیل کانال های رسانا پایدار را تسهیل می کند.اگر ولتاژ خیلی زیاد یا خیلی کم باشد یا در زمان اشتباه اعمال شود ، می تواند باعث تخریب یا حتی آسیب دیدن ترانزیستور شود.

ولتاژ اعمال شده به دروازه ولتاژ منبع دروازه (V_GS) نامیده می شود.هنگامی که V_GS از آستانه خاصی فراتر رود ، به نام ولتاژ آستانه (V_TH) ، یک لایه وارونگی بین منبع و تخلیه شکل می گیرد.این لایه از الکترونها تشکیل شده و نازک است ، اما به اندازه کافی نازک است که باعث جریان جریان می شود و به ترانزیستور اجازه می دهد تا برق را انجام دهد.ولتاژ آستانه تحت تأثیر طراحی و ساخت فیزیکی ترانزیستور قرار دارد و در مرحله طراحی تنظیم شده است.

ترانزیستورهای NMOS به دلیل قابلیت سوئیچینگ سریع برای برنامه های پر سرعت ترجیح داده می شوند.این امر عمدتاً به این دلیل است که الکترون هایی که جریان را در ترانزیستورهای NMOS حمل می کنند از تحرک بالاتری نسبت به سوراخ ها برخوردار هستند و می توانند سریعتر از طریق مواد نیمه هادی حرکت کنند.در نتیجه ، ترانزیستورهای NMOS می توانند خیلی سریع روشن و خاموش شوند و در نتیجه پردازش سریعتر و زمان پاسخ سریعتر انجام شود.

یکی دیگر از مزیت های مهم اندازه جمع و جور است.طراحی فیزیکی ترانزیستورهای NMOS آنها را از بسیاری از انواع دیگر ترانزیستورها کوچکتر می کند.این اجازه می دهد تا ترانزیستورهای بیشتری در یک فضای کوچکتر بسته بندی شوند و به ایجاد مدارهای یکپارچه کوچکتر و متراکم تر کمک می کنند.این مینیاتوری سازی نیاز به دقت و فناوری پیشرفته بالاتری در طول مونتاژ واقعی و لحیم کاری تابلوهای مدار دارد.اپراتورها غالباً باید از ابزارها و تکنیک های پیشرفته مانند ابزارهای میکرو جامد و تجهیزات موقعیت یابی دقیق استفاده کنند تا بتوانند این اجزای کوچک را کنترل و مونتاژ کنند.

با وجود این مزایا ، ترانزیستورهای NMOS مضرات خود را دارند.مسئله مهم مصرف نسبتاً زیاد انرژی آنها در حالت "در" است که ناشی از حرکت سریع الکترون ها است.این می تواند باعث شود تجهیزاتی که به طور مداوم برای مدت طولانی کار می کنند ، انرژی بیشتری مصرف کنند و به طور بالقوه بیش از حد گرم شوند.برای پرداختن به این مسئله ، اپراتورها باید استراتژی های مدیریت حرارتی مؤثر را در طی مراحل طراحی و آزمایش در نظر بگیرند ، مانند اضافه کردن غرق گرما یا فن ها برای از بین بردن گرمای اضافی.

علاوه بر این ، ترانزیستورهای NMOS در مقایسه با سایر انواع ترانزیستورها حاشیه نویز کمتری دارند.حاشیه نویز حداکثر ولتاژ یا نوسانات جریان است که یک مدار می تواند بدون تأثیر بر عملکرد طبیعی آن مقاومت کند.در محیط هایی با سر و صدای الکترونیکی بالاتر ، ترانزیستورهای NMOS می توانند پایدارتر و مستعد ابتلا به تداخل شوند و بر عملکرد و قابلیت اطمینان آنها تأثیر بگذارد.اپراتورها و طراحان باید این موضوع را در نظر بگیرند و ممکن است شامل محافظ اضافی باشند یا اجزای جایگزین را برای برنامه های حساس به نویز انتخاب کنند.

ترانزیستور PMOS ، یعنی ترانزیستور اثر نیمه هادی اکسید فلزی از نوع P ، وسیله ای است که از مواد نیمه هادی از نوع P به عنوان منبع و تخلیه خود استفاده می کند.در مقایسه با ترانزیستورهای NMOS نیمه هادی های نوع N ، ترانزیستورهای PMOS در مکانیسم مخالف کار می کنند و برای انجام جریان به حامل های بار مثبت ، یعنی سوراخ ها متکی هستند.

هنگامی که یک ولتاژ منفی روی دروازه اعمال می شود (نسبت به منبع) ، تغییرات زیر رخ خواهد داد: تشکیل میدان الکتریکی باعث می شود سوراخ های نیمه هادی از نوع P بین منبع و تخلیه نزدیکتر به دروازه حرکت کند ، از این طریقایجاد شکاف بین منبع و تخلیه.یک منطقه انباشت سوراخ بین آنها ، یعنی یک کانال رسانا تشکیل شده است.این کانال اجازه می دهد تا جریان به راحتی جریان یابد و باعث انجام ترانزیستور شود.فرایند استفاده از ولتاژ منفی نیاز به کنترل دقیق بزرگی ولتاژ و زمان کاربرد دارد تا اطمینان حاصل شود که کانال رسانا به طور موثری بدون ایجاد آسیب به دلیل ولتاژ بیش از حد تشکیل می شود.این عملیات معمولاً از طریق یک سیستم دقیق مدیریت انرژی انجام می شود ، که برای تنظیم و تأیید صحت ولتاژ نیاز به نظارت بر ولتاژ و آمپر دارد.هنگام تنظیم ولتاژ دروازه ، مقدار ولتاژ منفی مورد نیاز باید به طور دقیق محاسبه شود زیرا این امر به طور مستقیم بر سرعت پاسخ و کارآیی ترانزیستور تأثیر می گذارد.ولتاژ بسیار کم ممکن است باعث شود ترانزیستور نتواند به طور مؤثر انجام شود ، در حالی که ولتاژ که خیلی زیاد است ممکن است به ترانزیستور آسیب برساند یا ثبات طولانی مدت آن را کاهش دهد.

ترانزیستورهای PMOS در مدارهایی که راندمان انرژی مهم است ، بسیار ارزشمند هستند ، به خصوص به این دلیل که هنگام روشن شدن انرژی کمتری مصرف می کنند.این افزایش کارآیی به این دلیل است که جریان در یک ترانزیستور PMOS توسط سوراخ ها حمل می شود که به انرژی کمتری نسبت به الکترون ها نیاز دارد.این ویژگی باعث می شود ترانزیستورهای PMOS برای دستگاه های باتری یا حساس به انرژی که نیاز به حفاظت از انرژی دارند ، ایده آل باشد.

علاوه بر این ، ترانزیستورهای PMOS تحمل نویز بسیار خوبی دارند و آنها را در محیط هایی با تداخل الکتریکی بالا قابل اعتماد می کنند.توانایی آنها در برابر مقاومت در برابر نوسانات ولتاژ غیر منتظره به مهندسان این امکان را می دهد تا مدارهای پایدار تری ایجاد کنند.این ثبات ، طراحی مسیرهای انتقال سیگنال سازگار و قوی را تسهیل می کند و از این طریق قابلیت اطمینان کلی دستگاه در طول طرح و آزمایش مدار را افزایش می دهد.

نکته منفی این است که ترانزیستورهای PMOS محدودیت هایی دارند که بر عملکرد آنها در برنامه های پر سرعت تأثیر می گذارد.تحرک سوراخ ها (حامل های بار در ترانزیستورهای PMOS) از تحرک الکترون ها پایین تر است.تحرک پایین تر منجر به تعویض کندتر در مقایسه با ترانزیستورهای NMOS می شود.در صورت نیاز به حل این مشکل ، طراحان مدار باید کنترل زمان بندی دقیق را اجرا کنند و راه هایی برای بهبود زمان پاسخ پیدا کنند.استراتژی ها ممکن است شامل بهینه سازی طرح مدار یا ادغام چندین ترانزیستور به طور موازی برای اجرای سریعتر باشد.

علاوه بر این ، اندازه فیزیکی ترانزیستورهای PMOS یک چالش را برای روند فعلی مینیاتوریزاسیون مدار یکپارچه ایجاد می کند.با کوچکتر شدن دستگاه های الکترونیکی و نیاز به اجزای جمع و جور در حال رشد است ، طراحان و مهندسان مجبور به توسعه رویکردهای نوآورانه هستند.این رویکردها ممکن است شامل تجدید نظر در طراحی ترانزیستور یا استفاده از فن آوری های جدید برای کوچک کردن اندازه ترانزیستور در عین حال که هنوز هم مزایای مصرف کم مصرف و ایمنی سر و صدای بالا را حفظ می کند.

در هر دو جدول:

"ولتاژ دروازه (V_GS)" به ولتاژ اعمال شده به ترمینال دروازه نسبت به ترمینال منبع اشاره دارد.

"جریان تخلیه منبع (I_DS)" نشان می دهد که آیا جریان می تواند از منبع به ترمینال تخلیه جریان یابد.

"ایالت ترانزیستور" مشخص می کند که آیا ترانزیستور در حالت (در حال انجام) یا حالت خاموش (انجام نشده است) در حالت کار قرار دارد.

برای یک ترانزیستور NMOS ، هنگامی که ولتاژ دروازه زیاد است (منطق 1) ، ترانزیستور (روشن) را انجام می دهد و اجازه می دهد جریان از منبع به تخلیه جریان یابد.در مقابل ، هنگامی که ولتاژ دروازه کم است (منطق 0) ، ترانزیستور خاموش می شود و جریان جریان قابل توجهی ندارد.

برای ترانزیستورهای PMOS ، هنگامی که ولتاژ دروازه کم است (منطق 0) ، ترانزیستور (روشن) را انجام می دهد و اجازه می دهد جریان از تخلیه به منبع جریان یابد.هنگامی که ولتاژ دروازه زیاد است (منطق 1) ، ترانزیستور خاموش و جریان جریان ناچیز است.

ترانزیستورهای PMOS (نیمه هادی اکسید فلزی مثبت) و NMOS (نیمه هادی اکسید فلز منفی) نقش مهمی در مدارهای الکترونیکی دارند.هر نوع از حامل های بار مختلف و مواد نیمه هادی استفاده می کند و بر عملکرد و مناسب بودن آن برای برنامه های مختلف تأثیر می گذارد.

الکترون ها ، که در ترانزیستورهای NMOS حامل شارژ هستند ، در مقایسه با سوراخ های مورد استفاده در ترانزیستورهای PMOS ، تحرک بالاتری دارند ، خاصیتی که امکان عملکرد سریعتر را فراهم می کند.دستگاه های NMOS نیز به طور معمول برای تولید ارزان تر هستند.با این حال ، آنها تمایل به مصرف قدرت بیشتری دارند ، به خصوص در حالت "در" ، زیرا جریان زیادی را برای ادامه کار می کشند.

در مقابل ، ترانزیستورهای PMOS جریان های نشت کمتری را در حالت "خاموش" دارند و آنها را برای برنامه هایی که در آن نیاز به مصرف انرژی بیکار است ، مناسب تر می کند.علاوه بر این ، دستگاه های PMOS به لطف تحرک پایین سوراخ ها در ولتاژهای بالا قوی تر هستند و این باعث می شود آنها نسبت به تغییرات سریع در جریان مستعد کمتری باشند.ترانزیستورهای PMOS به دلیل تحرک پایین تر به طور معمول کندتر از ترانزیستورهای NMOS عمل می کنند.

انتخاب بین ترانزیستورهای NMOS و PMOS تا حد زیادی به نیازهای خاص برنامه بستگی دارد.NMO ها اغلب اولین انتخاب برای برنامه هایی است که سرعت و مقرون به صرفه بودن در اولویت قرار دارد.از طرف دیگر ، PMO ها برای محیط هایی که در شرایط ولتاژ بالا و جریان نشت کم نیاز به ثبات دارند ، مناسب تر است.

بسیاری از مدارهای مدرن از ترانزیستورهای NMOS و PMOS به صورت مکمل استفاده می کنند ، پیکربندی به نام CMOS (نیمه هادی اکسید فلز مکمل).این رویکرد مزایای هر دو نوع ترانزیستور را برای فعال کردن طرح های صرفه جویی در مصرف انرژی و با کارایی بالا ، به ویژه برای مدارهای دیجیتال یکپارچه که نیاز به مصرف انرژی کم و سرعت بالا دارند ، استفاده می کند.

هنگام مقایسه ترانزیستورهای NMOS و PMOS ، مشخص است که هر نوع مزایای خود را دارد ، به خصوص هنگامی که در طرح های مدار CMOS استفاده می شود.ترانزیستورهای NMOS به ویژه برای قابلیت های سوئیچینگ سریع و مقرون به صرفه بودن آنها ارزش دارد و آنها را برای برنامه های با کارایی بالا که نیاز به پاسخ سریع دارند ، ایده آل می کند.از طرف دیگر ، ترانزیستورهای PMOS در محیط هایی که راندمان انرژی و ولتاژ بالا به دلیل جریان ذاتاً کم نشت و پایداری ولتاژ قوی آنها بسیار مهم است ، برتری دارند.در عمل ، مهندسان الکترونیک باید بر اساس نیازهای خاص پروژه ، نوع ترانزیستور را با دقت انتخاب کنند.برای برنامه هایی که سرعت و بودجه اولویت ها هستند ، NMO ها اغلب ترجیح داده می شوند.درعوض ، برای پروژه هایی که حفاظت از انرژی و کنترل ولتاژهای بالا بسیار مهم است ، ترانزیستورهای PMOS مناسب تر هستند.

در بسیاری از طرح های مدار ، PMO ها و NMO ها اغلب مکمل استفاده می شوند.در صورت تعویض ، عملکرد مدار ممکن است کاملاً تغییر کند یا باعث شود که مدار غیرقابل استفاده شود.به عنوان مثال ، در فناوری CMOS ، از PMOS به طور معمول برای بالا بردن خروجی استفاده می شود ، در حالی که از NMOS برای پایین آمدن خروجی استفاده می شود.مبادله این دو نوع ترانزیستور باعث می شود که منطق خروجی معکوس شود و بر رفتار منطقی کل مدار تأثیر بگذارد.

هر دو NMO و PMO می توانند به عنوان منبع فعلی استفاده شوند ، اما هرکدام در برنامه های خاص مزایایی دارند.به طور کلی ، از آنجا که تحرک ترانزیستورهای NMOS (تحرک الکترون ها) از تحرک سوراخ در PMOS بالاتر است ، NMOS در حالت روشن برق را بهتر می کند و می تواند جریان پایدار تری را فراهم کند.این امر باعث می شود NMO ها در بیشتر موارد ، به ویژه در برنامه هایی که اندازه و ثبات فعلی از اهمیت برخوردار است ، به عنوان منبع فعلی بهتر انتخاب شود.

از آنجا که حامل های ترانزیستورهای PMOS سوراخ هایی هستند و تحرک آنها نسبت به الکترونهای موجود در ترانزیستورهای NMOS پایین تر است ، برای دستیابی به توانایی فعلی NMOS ، اندازه ترانزیستورهای PMOS معمولاً باید بزرگتر از NMOS باشد.این بدان معنی است که اندازه فیزیکی ترانزیستورهای PMOS معمولاً در همان فرآیند تولیدی از ترانزیستورهای NMOS بزرگتر است.

بله ، PMO ها به طور کلی مقاومت بالاتری نسبت به NMO دارند.این امر به این دلیل است که حامل های رسانا ترانزیستورهای PMOS سوراخ هایی هستند که تحرک آنها پایین تر از الکترون های NMOS است.تحرک کم منجر به مقاومت بالاتری می شود ، به همین دلیل در بسیاری از برنامه ها NMOS در صورت اجازه منطقه و اجازه از بین بردن قدرت ، نسبت به PMO ها ترجیح داده می شود.