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MOS管的主要優勢體現在哪裏

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MOS管介紹 mos管是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。 MOS管的應用優勢 MOSFET在1960年

MOS管介紹

 

mos管是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

 

MOS管的應用優勢

 

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)等人發明的雙載流子晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)截然不同,且因為製造成本低廉與使用麵積較小、高整合度的優勢,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)的領域裏,重要性遠超過BJT。

 

由於MOSFET元件的性能逐漸提升,除了傳統上應用於諸如微處理器、微控製器等數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,以下分別介紹這些應用。

 

數位電路

 

數位科技的進步,如微處理器運算效能不斷提升,帶給深入研發新一代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在數位信號處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發明,這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗,隻有在邏輯門(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,同一時間內必定隻有一種晶體管(NMOS或是PMOS)處在導通的狀態下,另一種必定是截止狀態,這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑,大量節省了電流或功率的消耗,也降低了集成電路的發熱量。

 

MOSFET在數位電路上應用的另外一大優勢是對直流(DC)信號而言,MOSFET的柵極端阻抗為無限大(等效於開路),也就是理論上不會有電流從MOSFET的柵極端流向電路裏的接地點,而是完全由電壓控製柵極的形式。這讓MOSFET和他們最主要的競爭對手BJT相較之下更為省電,而且也更易於驅動。在CMOS邏輯電路裏,除了負責驅動芯片外負載(off-chip load)的驅動器(driver)外,每一級的邏輯門都隻要麵對同樣是MOSFET的柵極,如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅動力。相較之下,BJT的邏輯電路(例如最常見的TTL)就沒有這些優勢。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對於電路設計工程師而言亦有其他優點,例如較不需考慮邏輯門輸出端的負載效應(loading effect)。

 

模擬電路

 

有一段時間,MOSFET並非模擬電路設計工程師的首選,因為模擬電路設計重視的性能參數,如晶體管的轉導(transconductance)或是電流的驅動力上,MOSFET不如BJT來得適合模擬電路的需求。但是隨著MOSFET技術的不斷演進,今日的CMOS技術也已經可以符合很多模擬電路的規格需求。再加上MOSFET因為結構的關係,沒有BJT的一些致命缺點,如熱破壞(thermal runaway)。另外,MOSFET在線性區的壓控電阻特性亦可在集成電路裏用來取代傳統的多晶矽電阻(poly resistor),或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶矽—絕緣體—多晶矽電容(PIP capacitor),甚至在適當的電路控製下可以表現出電感(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)。這樣的優點讓采用MOSFET實現模擬電路不但可以滿足規格上的需求,還可以有效縮小芯片的麵積,降低生產成本。

 

隨著半導體製造技術的進步,對於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設計模擬電路的另外一個優點也隨之浮現。為了減少在印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)上使用的集成電路數量、減少封裝成本與縮小係統的體積,很多原本獨立的類比芯片與數位芯片被整合至同一個芯片內。MOSFET原本在數位集成電路上就有很大的競爭優勢,在類比集成電路上也大量采用MOSFET之後,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/數位轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC),也得以利用MOSFET技術設計出效能更好的產品。

 

還有一種整合MOSFET與BJT各自優點的製程技術:BiCMOS(Bipolar-CMOS)也越來越受歡迎。BJT元件在驅動大電流的能力上仍然比一般的CMOS優異,在可靠度方麵也有一些優勢,例如不容易被“靜電放電”(ESD)破壞。所以很多同時需要複噪聲號處理以及強大電流驅動能力的集成電路產品會使用BiCMOS技術來製作。

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