??????? 這主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮:一個(gè)是材料和工藝問(wèn)題;另一個(gè)是電氣性能問(wèn)題。
?????? P型半導(dǎo)體是在單晶硅(或鍺)中參入微量的三價(jià)元素,如:硼、銦、鎵或鋁等;N型半導(dǎo)體是在單晶硅(或鍺)中參入微量的五價(jià)元素,如:磷、銻、砷等。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體,在材料成本方面應(yīng)該差別不是很大,但要把它做成一個(gè)電子產(chǎn)品,在生產(chǎn)工藝方面會(huì)存在很大的差異。
?????? 例如,用本征鍺材料制作PNP晶體管相對(duì)于用本征鍺材料制作NPN晶體管容易很多,因?yàn)殂熍c鍺比較容易結(jié)合(擴(kuò)散);同樣,用本征硅材料制作NPN晶體管,相對(duì)于用本征硅材料制作PNP管要容易很多。
?????? 某種半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的誕生并不是一天就可以達(dá)到盡善盡美的,需要通過(guò)大量試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累。早期生產(chǎn)的場(chǎng)效應(yīng)管大部分是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,這種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在結(jié)構(gòu)方面與PNP晶體管很相似,兩者的區(qū)別主要是基區(qū)引出電極的區(qū)別(基極與源極和漏極)。晶體管把中間的一層(N區(qū))當(dāng)成一個(gè)電極引出稱為基極,其余上下兩層(P-P區(qū))分別當(dāng)發(fā)射極和集電極引出;而場(chǎng)效應(yīng)管則是把基區(qū)當(dāng)成一個(gè)導(dǎo)電溝道(N溝道),并在其兩端分別引出一個(gè)電極,稱為源極和漏極,其余上下兩層(P-P區(qū))分別當(dāng)源極和柵極引出。
?????? 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管則是從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管演變過(guò)來(lái)的,把結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管中的柵極(P型半導(dǎo)體)換成金屬氧化物,就可變成一個(gè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,簡(jiǎn)稱MOS管。早期的MOS管大量的都是采用N溝道結(jié)構(gòu)(N溝道結(jié)構(gòu)采用P型半導(dǎo)體做襯底),P溝道結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管(P溝道結(jié)構(gòu)采用N型半導(dǎo)體做襯底)的誕生,相對(duì)要比N溝道結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管晚。可能是由于工藝上的原因,P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的價(jià)格一直比N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的價(jià)格高很多,但電性能卻比N溝道結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管差很多,因此,P溝道場(chǎng)效應(yīng)管使用的人很少。
?????? P溝道場(chǎng)效應(yīng)管比N溝道場(chǎng)效應(yīng)管電性能差的原因,主要是溝道材料的電氣性能不一樣。在N溝道中參與導(dǎo)電的是電子,而在P溝道中參與導(dǎo)電的是空穴,兩者在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下的遷移率相差非常大。電子的遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的遷移率,即N溝道的導(dǎo)電性能要比P溝道的導(dǎo)電性能好。因此N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通速度或工作頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P溝道場(chǎng)效應(yīng)管。
另外,用于制作場(chǎng)效應(yīng)管柵極的金屬氧化物,其與N型半導(dǎo)體的接點(diǎn)電位差,和與P型半導(dǎo)體接點(diǎn)電位差,不但數(shù)值不一樣,而且極性也不一樣。作為場(chǎng)效應(yīng)管柵極的金屬氧化物,與P型半導(dǎo)體的接點(diǎn)電位差要比N型半導(dǎo)體的接點(diǎn)電位差低(絕對(duì)值)。
?????? 因此,P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的工作電壓極性也不一樣,兩者正好相反,并且輸入、輸出特性也不完全一樣。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的輸入、輸出特性與PNP晶體管的輸入、輸出特性相似;而N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的輸入、輸出特性與NPN晶體管的輸入、輸出特性相似。但場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制特性,而晶體管則屬于電流控制特性,兩者還是存在本質(zhì)上的區(qū)別。
?????? 所謂節(jié)點(diǎn)電位差,就是兩種不同性質(zhì)的物體互相接觸在一起的時(shí)候,由于組成物體的物質(zhì)的外層電子的能級(jí)不同,在兩物體接觸界面處所產(chǎn)生的電位差(一個(gè)帶正電,另一個(gè)帶負(fù)電)。
?????? MOS管的誕生相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較早的,由于早期生產(chǎn)的MOS管相對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō),可靠性很差,所以MOS管遲遲沒(méi)有被大批量使用。直到微型計(jì)算機(jī)及大量數(shù)字電路產(chǎn)品出現(xiàn)以后,特別是CMOS大規(guī)模集成電路技術(shù)誕生之后,?MOS管才被廣泛應(yīng)用。
?????? CMOS(Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor,?互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)是一種同時(shí)采用兩種工藝(垂直外延和橫向外延)制造MOS管的大規(guī)模集成電路新技術(shù)(請(qǐng)參看問(wèn)答1),鑒于N溝道場(chǎng)效應(yīng)管在生產(chǎn)工藝和電氣性能方面均比P溝道場(chǎng)效應(yīng)管優(yōu)越的原因,CMOS電路采用P襯底是理所當(dāng)然的,因?yàn)樵诓捎肅MOS產(chǎn)生工藝的集成電路中,N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的數(shù)量。