电子和空穴——为什么在同等电流下PMOS的尺寸要比NMOS的大？

质子带正电，中子不带电，电子不带电。

质子和中子集中在原子核中，电子围绕原子核运动，且是在固定的轨道上。

电子在轨道上有一定的分布规则，即每个轨道(n)只能容纳2nXn个电子。

也就是说，1号轨道上最多只能容纳2个电子；2号轨道上最多只能容纳8个电子；3号轨道上最多只能容纳18个电子......

最外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的，这些原子在化学性质上要比最外层未填满的原子更稳定。而原子会试图与其他原子结合形成稳定的条件，即各轨道被填满或者最外层有8个电子。

最外层的电子称为价电子。比如，钠原子最外层电子数为1，所以易失去电子，性质很不稳定；氖最外层电子为电子数为8，所以性质很稳定，不易与其他物质发生反应。

而作为半导体材料的硅，最外层电子数为4。所以经过合适的工艺，硅原子可以形成硅晶体。即每个硅原子周围有4个硅原子，每个硅原子与其相邻的硅原子共享最外层电子，形成共价键，使得每个硅原子看上去都有8个最外层电子。

当温度为绝对0度时，即T-->0K时，硅晶表现为绝缘体，因为所有的价电子都待在共价键内。

即当在绝对0度时，给硅晶施加电压，是不会有电流产生的。

当温度升高时，电子获得热能，可能会从共价键内挣脱出来，变为自由电子。

所有半导体的导电性能处于导体和绝缘体之间，没导体那么好，但是有能导那么一点点的电。

Si和Ge最外层都有4个电子，但是电子从共价键挣脱出来所需的能量不一样，即Bandgap Energy不一样，所有其自由电子的密度随温度的变化曲线不一样，所有性能上也会有所差别。

当一个价电子成为自由电子，其离开后的位置，即称为空穴。

半导体中的载流子有两种，分别为电子和空穴。

而电子的移动速度要比空穴的移动速高，也就是说电子的迁移率要比空穴的迁移率高。

这是因为，当自由电子形成后，它不需要与其他原子进行交互，独立运动。而对于空穴而言，它是需要与其他原子进行交互的，比如说，空穴想从位置1移动到位置3，它不是像电子一样，直接就过去了，而是需要位置2的电子进入位置1中的空穴，以在位置2形成空穴，然后位置3的电子跳入位置2的空穴，以在位置3形成空穴，也就是需要不断重复release-trap-release的过程。

这也是为什么用PMOS和NMOS设计电路时，要想得到同样的电流时，PMOS所需要的尺寸(W/L)要比NMOS来的大。