電子和空穴——為什么在同等電流下PMOS的尺寸要比NMOS的大？

質(zhì)子帶正電，中子不帶電，電子不帶電。

質(zhì)子和中子集中在原子核中，電子圍繞原子核運(yùn)動，且是在固定的軌道上。

電子在軌道上有一定的分布規(guī)則，即每個軌道(n)只能容納2nXn個電子。

也就是說，1號軌道上最多只能容納2個電子；2號軌道上最多只能容納8個電子；3號軌道上最多只能容納18個電子......

最外層被填滿或者擁有8個電子的元素是穩(wěn)定的，這些原子在化學(xué)性質(zhì)上要比最外層未填滿的原子更穩(wěn)定。而原子會試圖與其他原子結(jié)合形成穩(wěn)定的條件，即各軌道被填滿或者最外層有8個電子。

最外層的電子稱為價電子。比如，鈉原子最外層電子數(shù)為1，所以易失去電子，性質(zhì)很不穩(wěn)定；氖最外層電子為電子數(shù)為8，所以性質(zhì)很穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

而作為半導(dǎo)體材料的硅，最外層電子數(shù)為4。所以經(jīng)過合適的工藝，硅原子可以形成硅晶體。即每個硅原子周圍有4個硅原子，每個硅原子與其相鄰的硅原子共享最外層電子，形成共價鍵，使得每個硅原子看上去都有8個最外層電子。

當(dāng)溫度為絕對0度時，即T-->0K時，硅晶表現(xiàn)為絕緣體，因?yàn)樗械膬r電子都待在共價鍵內(nèi)。

即當(dāng)在絕對0度時，給硅晶施加電壓，是不會有電流產(chǎn)生的。

當(dāng)溫度升高時，電子獲得熱能，可能會從共價鍵內(nèi)掙脫出來，變?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1521507.html">自由電子。

所有半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能處于導(dǎo)體和絕緣體之間，沒導(dǎo)體那么好，但是有能導(dǎo)那么一點(diǎn)點(diǎn)的電。

Si和Ge最外層都有4個電子，但是電子從共價鍵掙脫出來所需的能量不一樣，即Bandgap Energy不一樣，所有其自由電子的密度隨溫度的變化曲線不一樣，所有性能上也會有所差別。

當(dāng)一個價電子成為自由電子，其離開后的位置，即稱為空穴。

半導(dǎo)體中的載流子有兩種，分別為電子和空穴。

而電子的移動速度要比空穴的移動速高，也就是說電子的遷移率要比空穴的遷移率高。

這是因?yàn)?，?dāng)自由電子形成后，它不需要與其他原子進(jìn)行交互，獨(dú)立運(yùn)動。而對于空穴而言，它是需要與其他原子進(jìn)行交互的，比如說，空穴想從位置1移動到位置3，它不是像電子一樣，直接就過去了，而是需要位置2的電子進(jìn)入位置1中的空穴，以在位置2形成空穴，然后位置3的電子跳入位置2的空穴，以在位置3形成空穴，也就是需要不斷重復(fù)release-trap-release的過程。

這也是為什么用PMOS和NMOS設(shè)計電路時，要想得到同樣的電流時，PMOS所需要的尺寸(W/L)要比NMOS來的大。