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二、三極管新聞
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MOS管的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪里

      mos管是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

MOS管的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

       MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Lab.)的D. Kahng和Martin Atalla首次實(shí)作成功,這種元件的操作原理和1947年蕭克萊(William Shockley)等人發(fā)明的雙載流子晶體管截然不同,且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì),在大型集成電路(Large-Scale Integrated Circuits,LSI)或是超大型集成電路(Very Large-ScaleIntegrated Circuits,VLSI)的領(lǐng)域里,重要性遠(yuǎn)超過BJT。 

      由于MOSFET元件的性能逐漸提升,除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位信號(hào)處理的場(chǎng)合上,也有越來越多模擬信號(hào)處理的集成電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn),以下分別介紹這些應(yīng)用。

數(shù)位電路

      數(shù)位科技的進(jìn)步,如微處理器運(yùn)算效能不斷提升,帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動(dòng)力,這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快,幾乎成為各種半導(dǎo)體主動(dòng)元件中最快的一種。MOSFET在數(shù)位信號(hào)處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發(fā)明,這種結(jié)構(gòu)最大的好處是理論上不會(huì)有靜態(tài)的功率損耗,只有在邏輯門(logic gate)的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過。CMOS邏輯門最基本的成員是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣,同一時(shí)間內(nèi)必定只有一種晶體管(NMOS或是PMOS)處在導(dǎo)通的狀態(tài)下,另一種必定是截止?fàn)顟B(tài),這使得從電源端到接地端不會(huì)有直接導(dǎo)通的路徑,大量節(jié)省了電流或功率的消耗,也降低了集成電路的發(fā)熱量。

       MOSFET在數(shù)位電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢(shì)是對(duì)直流(DC)信號(hào)而言,MOSFET的柵極端阻抗為無限大(等效于開路),也就是理論上不會(huì)有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點(diǎn),而是完全由電壓控制柵極的形式。這讓MOSFET和他們最主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手BJT相較之下更為省電,而且也更易于驅(qū)動(dòng)。在CMOS邏輯電路里,除了負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)芯片外負(fù)載(off-chip load)的驅(qū)動(dòng)器(driver)外,每一級(jí)的邏輯門都只要面對(duì)同樣是MOSFET的柵極,如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅(qū)動(dòng)力。相較之下,BJT的邏輯電路(例如最常見的TTL)就沒有這些優(yōu)勢(shì)。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師而言亦有其他優(yōu)點(diǎn),例如較不需考慮邏輯門輸出端的負(fù)載效應(yīng)(loading effect)。

模擬電路

      有一段時(shí)間,MOSFET并非模擬電路設(shè)計(jì)工程師的首選,因?yàn)槟M電路設(shè)計(jì)重視的性能參數(shù),如晶體管的轉(zhuǎn)導(dǎo)(transconductance)或是電流的驅(qū)動(dòng)力上,MOSFET不如BJT來得適合模擬電路的需求。但是隨著MOSFET技術(shù)的不斷演進(jìn),今日的CMOS技術(shù)也已經(jīng)可以符合很多模擬電路的規(guī)格需求。再加上MOSFET因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的關(guān)系,沒有BJT的一些致命缺點(diǎn),如熱破壞(thermal runaway)。另外,MOSFET在線性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻(poly resistor),或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容(PIP capacitor),甚至在適當(dāng)?shù)碾娐房刂葡驴梢员憩F(xiàn)出電感(inductor)的特性,這些好處都是BJT很難提供的。也就是說,MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外,也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動(dòng)元件(passive device)。這樣的優(yōu)點(diǎn)讓采用MOSFET實(shí)現(xiàn)模擬電路不但可以滿足規(guī)格上的需求,還可以有效縮小芯片的面積,降低生產(chǎn)成本。

      隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)于整合更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升,此時(shí)用MOSFET設(shè)計(jì)模擬電路的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)也隨之浮現(xiàn)。為了減少在印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)上使用的集成電路數(shù)量、減少封裝成本與縮小系統(tǒng)的體積,很多原本獨(dú)立的類比芯片與數(shù)位芯片被整合至同一個(gè)芯片內(nèi)。MOSFET原本在數(shù)位集成電路上就有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),在類比集成電路上也大量采用MOSFET之后,把這兩種不同功能的電路整合起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合信號(hào)電路(Mixed-signal circuits),如類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC),也得以利用MOSFET技術(shù)設(shè)計(jì)出效能更好的產(chǎn)品。

       還有一種整合MOSFET與BJT各自優(yōu)點(diǎn)的制程技術(shù):BiCMOS(Bipolar-CMOS)也越來越受歡迎。BJT元件在驅(qū)動(dòng)大電流的能力上仍然比一般的CMOS優(yōu)異,在可靠度方面也有一些優(yōu)勢(shì),例如不容易被“靜電放電”(ESD)破壞。所以很多同時(shí)需要復(fù)噪聲號(hào)處理以及強(qiáng)大電流驅(qū)動(dòng)能力的集成電路產(chǎn)品會(huì)使用BiCMOS技術(shù)來制作。

信息來自:鉭電容  陶瓷電容  二、三極管  晶體振蕩器
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