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MOSFET相對于晶體管三極管BJT的應(yīng)用優(yōu)勢有哪些?

jf_78858299 ? 來源:鯤鵬宏道 ? 作者:鯤鵬1987 ? 2023-02-02 14:24 ? 次閱讀

1、場效應(yīng)晶體管是電壓控制元件,而雙極結(jié)型晶體管(晶體管三極管BJT)是電流控制元件。在只允許從取較少電流的情況下,應(yīng)選用場效應(yīng)管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應(yīng)選用雙極晶體管。

2、有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比雙極晶體管好。

3、場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導電,所以稱之為單極型器件,而雙極結(jié)型晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導電。因此被稱之為雙極型器件。

4、場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

MOSFET在1960年由貝爾實驗室(Bell Lab.)的D. Kahng和 Martin Atalla首次實作成功,這種元件的操作原理和1947年蕭克萊(William Shockley)等人發(fā)明的雙載流子結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)截然不同,且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢,在大型集成電路(Large-Scale Integrated Circuits,LSI)或是超大型集成電路(Very Large-Scale Integrated Circuits,VLSI)的領(lǐng)域里,重要性遠超過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)位信號處理的場合上,也有越來越多模擬信號處理的集成電路可以用MOSFET來實現(xiàn),以下分別介紹這些應(yīng)用。

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數(shù)字電路

數(shù)字科技的進步,如微處理器運算效能不斷提升,帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動力,這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快,幾乎成為各種半導體主動元件中最快的一種。

MOSFET在數(shù)字信號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有靜態(tài)的功率損耗,只有在邏輯門(logic gate)的切換動作時才有電流通過。

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,在邏輯轉(zhuǎn)換的瞬間同一時間內(nèi)必定只有一種晶體管(NMOS或是PMOS)處在導通的狀態(tài)下,另一種必定是截止狀態(tài),這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑,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)字電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢是對直流(DC)信號而言,MOSFET的柵極端阻抗為無限大(等效于開路),也就是理論上不會有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點,而是完全由電壓控制柵極的形式。

這讓MOSFET和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電,而且也更易于驅(qū)動。在CMOS邏輯電路里,除了負責驅(qū)動芯片外負載(off-chip load)的驅(qū)動器(driver)外,每一級的邏輯門都只要面對同樣是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。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對于電路設(shè)計工程師而言亦有其他優(yōu)點,例如較不需考慮邏輯門輸出端的負載效應(yīng)(loading effect)。

模擬電路

有一段時間,MOSFET并非模擬電路設(shè)計工程師的首選,因為模擬電路設(shè)計重視的性能參數(shù),如晶體管的轉(zhuǎn)導(transconductance)或是電流的驅(qū)動力上,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,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因為結(jié)構(gòu)的關(guān)系,沒有BJT的一些致命缺點,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?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元件(passive device)。這樣的優(yōu)點讓采用MOSFET實現(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。

隨著半導體制造技術(shù)的進步,對于整合更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升,此時用MOSFET設(shè)計模擬電路的另外一個優(yōu)點也隨之浮現(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,很多原本獨立的類比芯片與數(shù)位芯片被整合至同一個芯片內(nèi)。

MOSFET原本在數(shù)位集成電路上就有很大的競爭優(yōu)勢,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)計出效能更好的產(chǎn)品。

還有一種整合MOSFET與BJT各自優(yōu)點的制程技術(shù):BiCMOS(Bipolar-CMOS)也越來越受歡迎。BJT元件在驅(qū)動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,例如不容易被“靜電放電”(ESD)破壞。所以很多同時需要復(fù)噪聲號處理以及強大電流驅(qū)動能力的集成電路產(chǎn)品會使用BiCMOS技術(shù)來制作。

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