NMOS og PMOS leiðbeiningar - Hvernig það virkar, kostir og gallar, forrit, sannleikatöflur, samanburður á þeim tveimur

Á sviði nútíma rafrænna verkfræði er skilningur og beita hálfleiðara tækni ein af kjarnafærni, þar á meðal tækni og notkun NMOs (neikvæðra málmoxíðs hálfleiðara) og PMOS (jákvæður málmoxíð hálfleiðari) smári skiptir sköpum fyrir hringrásarhönnun.Þessar tvær tegundir smára vinna út frá mismunandi hleðslufyrirtækjum (rafeindum og götum) af n-gerð og P-gerð hálfleiðara efnum, hver um sig, sem sýna fram á einstaka eðlisfræðilega eiginleika þeirra og vinnandi meginreglur.NMOS smári framkvæma straum í gegnum rafeindir en PMOS smárar stunda straum í gegnum göt.Þessi munur hefur bein áhrif á skilvirkni þeirra og afköst í rafeindatækjum.Þessi grein mun greina djúpt skilgreininguna, vinna meginregluna, tæknilega kosti og galla þessara tveggja smára og bera saman umsóknarsvið þeirra til að sýna mikilvægi þeirra og viðbót í nútíma rafrænni tækni.

NMOS smári er skammstöfun á n-gerð málmoxíðs hálfleiðara reitsáhrifa smári, sem treystir á rafeindir til að framkvæma straum.Uppruni og frárennslisþættir þess eru báðir úr n-gerð hálfleiðara efnum., hliðarhlutinn stjórnar straumnum í gegnum spennustýringu.

NMOS smárar vinna með því að beita jákvæðri spennu við hliðið.Þetta er venjulega gert með því að snúa spennu eftirlitsstofninum eða stilla afköst aflgjafa.Að gera það skapar rafeindaleið milli uppruna og holræsi.Þessi aðgerð krefst nákvæmrar stjórnunar á spennustigum og tímasetningu umsóknar þeirra.Þessi nákvæmni auðveldar myndun stöðugra leiðandi rása.Ef spenna er of mikil eða of lág eða beitt á röngum tíma getur það valdið því að smári rýrnar eða jafnvel skemmst.

Spennan sem beitt er við hliðið er kallað hliðarspenna (V_GS).Þegar V_GS fer yfir ákveðinn þröskuld, kallaður þröskuldarspenna (V_TH), myndast andhverfulag milli uppruna og holræsi.Þetta lag samanstendur af rafeindum og er þunnt, en nógu þunnt til að straumur geti streymt, sem gerir smári kleift að framkvæma rafmagn.Þröskuldspennan hefur áhrif á líkamlega hönnun og framleiðsluefni smára og er stillt á hönnunarstiginu.

NMOS smára er ákjósanleg fyrir háhraða forrit vegna hraðvirkni þeirra.Þetta er aðallega vegna þess að rafeindirnar sem bera strauminn í NMOS smári hafa meiri hreyfanleika en göt og geta farið í gegnum hálfleiðara efnið hraðar.Fyrir vikið geta NMOS smárar kveikt og slökkt mjög fljótt og leitt til hraðari vinnslu og hraðari viðbragðstíma.

Annar aðal kostur er samningur stærð.Líkamleg hönnun NMOS smára gerir þá minni en margar aðrar tegundir smára.Þetta gerir kleift að pakka fleiri smári í minna rými og hjálpa til við að búa til minni, þéttari samþættar hringrásir.Þessi smámyndun krefst hærri nákvæmni og háþróaðrar tækni við raunverulega samsetningu og lóða hringrásarborðs.Rekstraraðilar þurfa oft að beita háþróaðri verkfærum og tækni, svo sem örlindandi verkfærum og nákvæmni staðsetningarbúnaði, til að takast á við og setja saman þessa örsmáu íhluti.

Þrátt fyrir þessa kosti hafa NMOS smárar galla sína.Mikilvægt mál er tiltölulega mikil orkunotkun þeirra í „á“ ástandi, sem stafar af skjótum hreyfingu rafeinda.Þetta getur valdið búnaði sem keyrir stöðugt í langan tíma til að neyta meiri orku og hugsanlega ofhitnar.Til að takast á við þetta mál verða rekstraraðilar að íhuga árangursríkar hitauppstreymisaðferðir meðan á hönnunar- og prófunarstigunum stendur, svo sem að bæta við hitavask eða aðdáendum til að dreifa umfram hita.

Að auki hafa NMOS smárar lægri hávaða miðað við aðrar tegundir smára.Hávaðamörk er hámarksspenna eða núverandi sveiflur sem hringrás þolir án þess að hafa áhrif á eðlilega virkni þess.Í umhverfi með hærri rafrænan hávaða geta NMOS smárar orðið minna stöðugir og næmari fyrir truflunum og haft áhrif á afköst þeirra og áreiðanleika.Rekstraraðilar og hönnuðir verða að íhuga þetta og geta falið í sér viðbótarhlífar eða valið aðra hluti fyrir hávaða viðkvæm forrit.

PMOS smári, nefnilega P-gerð málmoxíð hálfleiðari sviði-áhrifa smári, er tæki sem notar P-gerð hálfleiðara efni sem uppsprettu og holræsi.Í samanburði við NMOS smára af n-gerð hálfleiðara, vinna PMOS smárar í gagnstæða fyrirkomulagi og treysta á jákvæða hleðslufyrirtæki, nefnilega göt, til að framkvæma straum.

Þegar neikvæðri spennu er beitt við hliðið (miðað við uppsprettuna) munu eftirfarandi breytingar eiga sér stað: myndun rafsviðsins veldur götunum í P-gerð hálfleiðara milli uppsprettunnar og holræsi að fara nær hliðinu og þar með þar meðað búa til skarð milli uppruna og holræsi.Uppsöfnunarsvæði holu myndast á milli þeirra, það er leiðandi farveg.Þessi rás gerir kleift að streyma vel og veldur því að smári.Ferlið við að beita neikvæðum spennu krefst nákvæmrar stjórnunar á umfangi spennunnar og notkunartíma til að tryggja að leiðandi rásin myndist í raun án þess að valda skemmdum vegna of mikillar spennu.Þessi aðgerð er venjulega framkvæmd með nákvæmu orkustjórnunarkerfi, sem krefst eftirlits spennum og ammetrum til að aðlaga og staðfesta réttmæti spennunnar.Við stillingu hliðarspennunnar verður að reikna út það neikvætt spennu gildi nákvæmlega vegna þess að þetta hefur bein áhrif á svörunarhraða og skilvirkni smára.Spenna sem er of lítil getur valdið því að smári tekst ekki að framkvæma á áhrifaríkan hátt, en spenna sem er of mikil getur skemmt smári eða dregið úr stöðugleika hans til langs tíma.

PMOS smárar eru mjög dýrmætir í hringrásum þar sem orkunýtni er mikilvæg, sérstaklega vegna þess að þeir neyta minni afl þegar kveikt er á.Þessi aukning á skilvirkni er vegna þess að straumurinn í PMOS smári er borinn af götum, sem krefjast minni orku til að hreyfa sig en rafeindir.Þessi eiginleiki gerir PMOS smára tilvalin fyrir rafhlöðustýrt eða orkusæmu tæki sem krefjast orkusparnaðar.

Að auki hafa PMOS smárar framúrskarandi hávaðaþol, sem gerir þá áreiðanlegar í umhverfi með mikla rafmagns truflun.Geta þeirra til að standast óvæntar spennusveiflur gerir verkfræðingum kleift að búa til stöðugri hringrás.Þessi stöðugleiki auðveldar hönnun stöðugra og öflugs merkisleiða og eykur þannig heildar áreiðanleika tækisins við skipulag og prófun.

Gallinn er sá að PMOS smárar hafa nokkrar takmarkanir sem hafa áhrif á afköst þeirra í hraðskreyttum forritum.Hreyfanleiki götanna (hleðslufyrirtækjum í PMOS smári) er lægri en hreyfanleiki rafeinda.Lægri hreyfanleiki hefur í för með sér hægari skiptingu samanborið við NMOS smára.Ef þetta vandamál þarf að leysa verða hringrásarhönnuðir að framkvæma vandlega tímasetningarstýringu og finna leiðir til að bæta viðbragðstíma.Aðferðir gætu falið í sér að hámarka skipulag hringrásar eða samþætta marga smára samhliða til að keyra hraðar.

Að auki skapar líkamleg stærð PMOS smára áskorun um núverandi þróun samþættrar hringrásar.Eftir því sem rafeindatæki verða minni og þörfin fyrir samningur íhluta heldur áfram að vaxa neyðast hönnuðir og verkfræðingar til að þróa nýstárlegar aðferðir.Þessar aðferðir geta falið í sér að endurskoða hönnun smára eða nota nýja tækni til að minnka stærð smára en viðhalda enn kostum lítillar orkunotkunar og mikils hávaða friðhelgi.

Í báðum borðum:

„GATE spennu (V_GS)“ vísar til spennunnar sem beitt er við hliðarstöðina miðað við uppsprettustöðina.

„Upprunalegt straumstraumur (I_DS)“ gefur til kynna hvort straumur geti streymt frá upptökum til frárennslisstöðvarinnar.

„Transistor State“ tilgreinir hvort smári sé í ON -ríki (leiðandi) eða utan ríki (ekki leiðandi).

Fyrir NMOS smári, þegar hliðspennan er mikil (rökfræði 1), leiðir smári (ON), sem gerir straumnum kleift að renna frá uppruna til að holræsi.Aftur á móti, þegar hliðspennan er lítil (rökfræði 0), er slökkt á smári og ekkert umtalsvert straumstreymi.

Fyrir PMOS smára, þegar hliðspennan er lítil (rökfræði 0), leiðir smári (ON), sem gerir straumnum kleift að renna frá holræsinu til upptökunnar.Þegar hliðspennan er mikil (rökfræði 1) er slökkt á smári og hverfandi straumstreymi.

PMOS (jákvæður málmoxíð hálfleiðari) og NMOs (neikvæður málmoxíð hálfleiðari) smári gegna mikilvægu hlutverki í rafrásum.Hver gerð notar mismunandi hleðslufyrirtæki og hálfleiðara efni, sem hefur áhrif á virkni þess og hæfi fyrir mismunandi forrit.

Rafeindir, sem eru hleðslutæki í NMOS smári, sýna meiri hreyfanleika miðað við götin sem notuð eru í PMOS smári, eign sem gerir kleift að fá hraðari notkun.NMOS tæki eru einnig venjulega ódýrari í framleiðslu.Hins vegar hafa þeir tilhneigingu til að neyta meiri krafts, sérstaklega í „á“ ástandi, þar sem þeir draga mikla straum til að halda áfram að hlaupa.

Aftur á móti eru PMOS smárar með lægri lekastrauma í „slökkt“ ástandinu, sem gerir þá hentugri fyrir forrit þar sem lágmarka þarf aðgerðar neyslu.Að auki eru PMOS tæki öflugri við háspennu, þökk sé lægri hreyfanleika holanna, sem gerir þau minna næm fyrir skjótum breytingum á straumi.PMOS smárar starfa venjulega hægari en NMOS smári vegna minni hreyfanleika þeirra.

Valið á milli NMO og PMOS smára fer að miklu leyti eftir sérstökum þörfum forritsins.NMOS er oft fyrsti kosturinn fyrir forrit þar sem hraði og hagkvæmni er forgangsverkefni.PMOS er aftur á móti hentugri fyrir umhverfi sem krefst stöðugleika við háspennuaðstæður og lágan lekastraum.

Margar nútíma hringrásir nota bæði NMO og PMOS smára á viðbótar hátt, stillingu sem kallast CMOS (viðbótar málmoxíð hálfleiðari).Þessi aðferð nýtir sér kosti beggja smára gerða til að gera kleift að spara orkusparnað og afkastamikla hönnun, sérstaklega gagnlegar fyrir stafrænar samþættar hringrásir sem krefjast lítillar orkunotkunar og mikils hraða.

Þegar NMOS og PMOS smáir eru bornir saman er ljóst að hver gerð hefur sína kosti, sérstaklega þegar það er notað í CMOS hringrásarhönnun.NMOS smári eru sérstaklega metnir fyrir skjót skiptihæfileika sína og hagkvæmni, sem gerir þá tilvalin fyrir afkastamikil forrit sem krefjast skjóts viðbragða.PMOS smári, aftur á móti, skara fram úr í umhverfi þar sem orkunýtni og háspenna eru mikilvæg vegna í eðli sínu lágum lekastraumi og sterkum spennu stöðugleika.Í reynd verða rafeindaverkfræðingar að velja vandlega gerð smára til að nota út frá sérstökum þörfum verkefnisins.Fyrir umsóknir þar sem hraði og fjárhagsáætlun er forgangsröðun er NMO oft valinn.Í staðinn, fyrir verkefni þar sem orkusparnaður og meðhöndlun háspennu eru mikilvægar, eru PMOS smárar hentugri.

Í mörgum hringrásarhönnun eru PMOS og NMO oft notuð viðbót.Ef þeim er skipt út getur virkni hringrásarinnar alveg breyst eða valdið því að hringrásin verður óstarfhæf.Til dæmis, í CMOS tækni, er PMOS venjulega notað til að draga framleiðsluna hátt en NMOS er notað til að draga framleiðsluna lágt.Að skipta um þessar tvær tegundir smára mun valda því að framleiðsla rökfræði er snúið við og hefur áhrif á rökfræðihegðun alls hringrásarinnar.

Bæði NMO og PMOS er hægt að nota sem núverandi heimildir, en þær hafa hver um kosti í sérstökum forritum.Almennt séð, þar sem hreyfanleiki NMOS smára (hreyfanleiki rafeinda) er hærri en holu hreyfanleiki í PMOS, stýrir NMO raforku betur í ON ástandinu og getur veitt stöðugri straum.Þetta gerir NMO að betra núverandi uppsprettuval í flestum tilvikum, sérstaklega í forritum þar sem núverandi stærð og stöðugleiki eru mikilvæg.

Þar sem burðarefni PMOS smára eru göt og hreyfanleiki þeirra er lægri en rafeindir í NMOS smári, til að ná sömu núverandi getu og NMO, þarf stærð PMOS smára yfirleitt að vera stærri en NMO.Þetta þýðir að líkamleg stærð PMOS smára er venjulega stærri en NMOS smára í sama framleiðsluferli.

Já, PMOS hefur yfirleitt meiri mótstöðu en NMO.Þetta er vegna þess að leiðandi burðarefni PMOS smára eru göt, þar sem hreyfanleiki er lægri en rafeindir í NMO.Lítil hreyfanleiki hefur í för með sér meiri mótstöðu, og þess vegna er í mörgum forritum valinn fram yfir PMOS ef svæði og afldreifingarleyfi.