为什么现在的CMOS工艺一般都是用P衬底而不是N衬底

第一种解释

为什么CMOS工艺采用P衬底，而不用N衬底？

这主要从两个方面来考虑：一个是材料和工艺问题；另一个是电气性能问题。 P型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的三价元素，如：硼、铟、镓或铝等；N型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的五价元素，如：磷、锑、砷等。P型半导体与N型半导体，在材料成本方面应该差别不是很大，但要把它做成一个电子产品，在生产工艺方面会存在很大的差异。例如，用本征锗材料制作PNP晶体管相对于用本征锗材料制作NPN晶体管容易很多，因为铟与锗比较容易结合（扩散）；同样，用本征硅材料制作NPN晶体管，相对于用本征硅材料制作PNP管要容易很多。某种半导体生产工艺的诞生并不是一天就可以达到尽善尽美的，需要通过大量试验和经验积累。早期生产的场效应管大部分是结型场效应管，这种结型场效应管在结构方面与PNP晶体管很相似，两者的区别主要是基区引出电极的区别（基极与源极和漏极）。晶体管把中间的一层（N区）当成一个电极引出称为基极，其余上下两层（P-P区）分别当发射极和集电极引出；而场效应管则是把基区当成一个导电沟道（N沟道），并在其两端分别引出一个电极，称为源极和漏极，其余上下两层（P-P区）分别当源极和栅极引出。绝缘栅场效应管则是从结型场效应管演变过来的，把结型场效应管中的栅极（P型半导体）换成金属氧化物，就可变成一个绝缘栅场效应管，简称mos管。早期的MOS管大量的都是采用N沟道结构（N沟道结构采用P型半导体做衬底），P沟道结构的场效应管（P沟道结构采用N型半导体做衬底）的诞生，相对要比N沟道结构的场效应管晚。可能是由于工艺上的原因，P沟道场效应管的价格一直比n沟道场效应管的价格高很多，但电性能却比N沟道结构场效应管差很多，因此，P沟道场效应管使用的人很少。P沟道场效应管比N沟道场效应管电性能差的原因，主要是沟道材料的电气性能不一样。在N沟道中参与导电的是电子，而在P沟道中参与导电的是空穴，两者在单位电场强度下的迁移率相差非常大。电子的迁移率远远大于空穴的迁移率，即N沟道的导电性能要比P沟道的导电性能好。因此N沟道场效应管的导通速度或工作频率要远远高于P沟道场效应管。另外，用于制作场效应管栅极的金属氧化物，其与N型半导体的接点电位差，和与P型半导体接点电位差，不但数值不一样，而且极性也不一样。作为场效应管栅极的金属氧化物，与P型半导体的接点电位差要比N型半导体的接点电位差低（绝对值）。因此，P沟道场效应管和N沟道场效应管的工作电压极性也不一样，两者正好相反，并且输入、输出特性也不完全一样。P沟道场效应管的输入、输出特性与PNP晶体管的输入、输出特性相似；而N沟道场效应管的输入、输出特性与NPN晶体管的输入、输出特性相似。但场效应管属于电压控制特性，而晶体管则属于电流控制特性，两者还是存在本质上的区别。所谓节点电位差，就是两种不同性质的物体互相接触在一起的时候，由于组成物体的物质的外层电子的能级不同，在两物体接触界面处所产生的电位差（一个带正电，另一个带负电）。MOS管的诞生相对来说还是比较早的，由于早期生产的MOS管相对于晶体管来说，可靠性很差，所以MOS管迟迟没有被大批量使用。直到微型计算机及大量数字电路产品出现以后，特别是CMOS大规模集成电路技术诞生之后， MOS管才被广泛应用。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体）是一种同时采用两种工艺（垂直外延和横向外延）制造MOS管的大规模集成电路新技术（请参看问答1），鉴于N沟道场效应管在生产工艺和电气性能方面均比P沟道场效应管优越的原因，CMOS电路采用P衬底是理所当然的，因为在采用CMOS产生工艺的集成电路中，N沟道场效应管的数量要远远高于P沟道场效应管的数量。

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第二种解释

从电路设计的角度，衬底如果是p类型的，那么会将衬底接地来实现pn结反偏，这样在电路设计上比较简单。毕竟是地嘛，选一个质量还行的地接上就可以了… 与之对应的，n型衬底，就要将衬底接电源，以保证pn结反偏。而事实上对于目前的soc系统，芯片上的电源会有好几种，比如1.1v 的core 电源，1.1v的soc电源，1.8v 的模拟电源，3.3v的IO电源，5v的usb电源…对于这么多电源，因为衬底是公用的，为了保证pn结一定是反偏的，那就要将n型衬底接到最高的5v电源上才行，那问题来了，在实际应用中，这个usb可能是没有被使用的，那它的5v电源就没有了，这样的话，n型衬底实际上就不知道接到了什么电压值，进而造成整个chip无法正常工作。所以，使用n型衬底对目前的soc设计而言，不是很方便

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