MOSFET也叫金屬-氧化物半導體場效應晶體管,是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管。MOSFET依照工作載流子的極性不同,可分為“N型”與“P型” 的兩種類型。
MOSFET的主要技術參數
場效應管的參數很多,包括直流參數、交流參數和極限參數,但一般使用時關注以下主要參數:
IDSS—飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中,柵極電壓UGS=0時的漏源電流;
UP—夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中,使漏源間剛截止時的柵極電壓;
UT—開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中,使漏源間剛導通時的柵極電壓;
gM—跨導。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場效應管放大能力的重要參數;
BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時,場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數,加在場效應管上的工作電壓必須小于BUDS;
PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數,是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時,場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量;
IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數,是指場效應管正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流。場效應管的工作電流不應超過IDSM 。
MOSFET的核心:金屬—氧化層—半導體電容
金屬—氧化層—半導體結構MOSFET在結構上以一個金屬—氧化層—半導體的電容為核心,氧化層的材料多半是二氧化硅,其下是作為基極的硅,而其上則是作為柵極的多晶硅。這樣子的結構正好等于一個電容器,氧化層扮演電容器中介電質的角色,而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為MOS電容的兩個端點。
當一個電壓施加在MOS電容的兩端時,半導體的電荷分布也會跟著改變。考慮一個P型的半導體形成的MOS電容,當一個正的電壓VGB施加在柵極與基極端時,空穴的濃度會減少,電子的濃度會增加。當VGB夠強時,接近柵極端的電子濃度會超過空穴。這個在P型半導體中,電子濃度超過空穴濃度的區域,便是所謂的反轉層。MOS電容的特性決定了MOSFET的操作特性,但是一個完整的MOSFET結構還需要一個提供多數載流子的源極以及接受這些多數載流子的漏極。
場效應晶體管是電壓控制元件,而雙極結型晶體管是電流控制元件。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。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。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。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。
應用前景廣闊
隨著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,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信號而言,MOSFET的柵極端阻抗為無限大,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。
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