ameya360皇华

【转帖】元器件科普之MOSFET的结构和应用前景

0
阅读(54) 评论(0)

最近,国内对MOSFET的需求大涨,导致业内缺货,很多厂商有钱买不到货,这是MOSFET厂商最愿意看到的。MOSFET需求增长源于物联网、3C产品、云端运算及服务器等的快速发展。

MOSFET也叫金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为“N型”与“P型” 的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,简称包括NMOS、PMOS等。本文带大家熟悉一下MOSFET的结构和前景。

MOSFET的结构

上图是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极)。

从图中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。

图1是常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性,如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺,构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。

MOSFET重点参数

MOSFET的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时关注以下主要参数:

1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流。

2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。

3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。

4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。

5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM 。

MOSFET的市场前景

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在数字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,而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样,在逻辑转换的瞬间同一时间内必定只有一种晶体管处在导通的状态下,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在数字电路上应用的另外一大优势是对直流信号而言,MOSFET的栅极端阻抗为无限大,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的驱动器外,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。