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MOSFET相對于晶體管三極管BJT的應用優勢有哪些?

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

1、場效應晶體管是電壓控制元件,而雙極結型晶體管(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,應選用場效應管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應選用雙極晶體管。

2、有些場效應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、場效應管是利用多數載流子導電,所以稱之為單極型器件,而雙極結型晶體管是即有多數載流子,也利用少數載流子導電。因此被稱之為雙極型器件。

4、場效應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管集成在一塊硅片上,因此場效應管在大規模集成電路中得到了廣泛的應用。

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)等人發明的雙載流子結型晶體管(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,除了傳統上應用于諸如微處理器微控制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。

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數字電路

數字科技的進步,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在數字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,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,在邏輯轉換的瞬間同一時間內必定只有一種晶體管(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在數字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,而且也更易于驅動。在CMOS邏輯電路里,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于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并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因為結構的關系,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里用來取代傳統的多晶硅電阻(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),甚至在適當的電路控制下可以表現出電感(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面積,降低生產成本。

隨著半導體制造技術的進步,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系統的體積,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各自優點的制程技術: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,在可靠度方面也有一些優勢,例如不容易被“靜電放電”(ESD)破壞。所以很多同時需要復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技術來制作。

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