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MOS管的主要优势体现在哪里

      mos管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

MOS管的应用优势

       MOSFET在1960年由贝尔实验室(Bell Lab.)的D. Kahng和Martin Atalla首次实作成功,这种元件的操作原理和1947年萧克莱(William Shockley)等人发明的双载流子晶体管截然不同,且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势,在大型集成电路(Large-Scale Integrated Circuits,LSI)或是超大型集成电路(Very Large-ScaleIntegrated Circuits,VLSI)的领域里,重要性远超过BJT。 

      由于MOSFET元件的性能逐渐提升,除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位信号处理的场合上,也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用MOSFET来实现,以下分别介绍这些应用。

数位电路

      数位科技的进步,如微处理器运算效能不断提升,带给深入研发新一代MOSFET更多的动力,这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快,几乎成为各种半导体主动元件中最快的一种。MOSFET在数位信号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明,这种结构最大的好处是理论上不会有静态的功率损耗,只有在逻辑门(logic gate)的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门最基本的成员是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样,同一时间内必定只有一种晶体管(NMOS或是PMOS)处在导通的状态下,另一种必定是截止状态,这使得从电源端到接地端不会有直接导通的路径,大量节省了电流或功率的消耗,也降低了集成电路的发热量。

       MOSFET在数位电路上应用的另外一大优势是对直流(DC)信号而言,MOSFET的栅极端阻抗为无限大(等效于开路),也就是理论上不会有电流从MOSFET的栅极端流向电路里的接地点,而是完全由电压控制栅极的形式。这让MOSFET和他们最主要的竞争对手BJT相较之下更为省电,而且也更易于驱动。在CMOS逻辑电路里,除了负责驱动芯片外负载(off-chip load)的驱动器(driver)外,每一级的逻辑门都只要面对同样是MOSFET的栅极,如此一来较不需考虑逻辑门本身的驱动力。相较之下,BJT的逻辑电路(例如最常见的TTL)就没有这些优势。MOSFET的栅极输入电阻无限大对于电路设计工程师而言亦有其他优点,例如较不需考虑逻辑门输出端的负载效应(loading effect)。

模拟电路

      有一段时间,MOSFET并非模拟电路设计工程师的首选,因为模拟电路设计重视的性能参数,如晶体管的转导(transconductance)或是电流的驱动力上,MOSFET不如BJT来得适合模拟电路的需求。但是随著MOSFET技术的不断演进,今日的CMOS技术也已经可以符合很多模拟电路的规格需求。再加上MOSFET因为结构的关系,没有BJT的一些致命缺点,如热破坏(thermal runaway)。另外,MOSFET在线性区的压控电阻特性亦可在集成电路里用来取代传统的多晶硅电阻(poly resistor),或是MOS电容本身可以用来取代常用的多晶硅—绝缘体—多晶硅电容(PIP capacitor),甚至在适当的电路控制下可以表现出电感(inductor)的特性,这些好处都是BJT很难提供的。也就是说,MOSFET除了扮演原本晶体管的角色外,也可以用来作为模拟电路中大量使用的被动元件(passive device)。这样的优点让采用MOSFET实现模拟电路不但可以满足规格上的需求,还可以有效缩小芯片的面积,降低生产成本。

      随著半导体制造技术的进步,对于整合更多功能至单一芯片的需求也跟著大幅提升,此时用MOSFET设计模拟电路的另外一个优点也随之浮现。为了减少在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)上使用的集成电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积,很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。MOSFET原本在数位集成电路上就有很大的竞争优势,在类比集成电路上也大量采用MOSFET之后,把这两种不同功能的电路整合起来的困难度也显著的下降。另外像是某些混合信号电路(Mixed-signal circuits),如类比/数位转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),也得以利用MOSFET技术设计出效能更好的产品。

       还有一种整合MOSFET与BJT各自优点的制程技术:BiCMOS(Bipolar-CMOS)也越来越受欢迎。BJT元件在驱动大电流的能力上仍然比一般的CMOS优异,在可靠度方面也有一些优势,例如不容易被“静电放电”(ESD)破坏。所以很多同时需要复噪声号处理以及强大电流驱动能力的集成电路产品会使用BiCMOS技术来制作。

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