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MOSFET的各种常见技术

分类:MOSFET技术百科   发布时间:2015-05-08 10:05:57   阅读:2690   信息来源:MOSFET技术百科
各种常见的MOSFET技术:
双栅极MOSFET
双栅极(dual-gate)MOSFET通常用在射频(Radio Frequency,RF)集成电路中,这种MOSFET的两个栅极都可以控制电流大小。在射频电路的应用上,双栅极MOSFET的第二个栅极大多数用来做增益、混频器或是频率转换的控制。


耗尽型MOSFET

一般而言,耗尽型(depletion mode)MOSFET比前述的增强型(enhancement mode)MOSFET少见。耗尽型MOSFET在制造过程中改变掺杂到通道的杂质浓度,使得这种MOSFET的栅极就算没有加电压,通道仍然存在。如果想要关闭通道,则必须在栅极施加负电压。耗尽型MOSFET最大的应用是在“常闭型”(normally-off)的开关,而相对的,加强式MOSFET则用在“常开型”(normally-on)的开关上。


NMOS逻辑

同样驱动能力的NMOS通常比PMOS所占用的面积小,因此如果只在逻辑门的设计上使用NMOS的话也能缩小芯片面积。不过NMOS逻辑虽然占的面积小,却无法像CMOS逻辑一样做到不消耗静态功率,因此在1980年代中期后已经渐渐退出市场。


功率MOSFET


功率晶体管单元的截面图。通常一个市售的功率晶体管都包含了数千个这样的单元。主条目:功率晶体管

功率MOSFET和前述的MOSFET元件在结构上就有著显著的差异。一般集成电路里的MOSFET都是平面式(planar)的结构,晶体管内的各端点都离芯片表面只有几个微米的距离。而所有的功率元件都是垂直式(vertical)的结构,让元件可以同时承受高电压与高电流的工作环境。一个功率MOSFET能耐受的电压是杂质掺杂浓度与N型磊晶层(epitaxial layer)厚度的函数,而能通过

的电流则和元件的通道宽度有关,通道越宽则能容纳越多电流。对于一个平面结构的MOSFET而言,能承受的电流以及崩溃电压的多寡都和其通道的长宽大小有关。对垂直结构的MOSFET来说,元件的面积和其能容纳的电流成大约成正比,磊晶层厚度则和其崩溃电压成正比。
功率MOSFET的工作原理
截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。
导电:在栅源极间加正电压UGS,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面
当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结J1消失,漏极和源极导电。
值得一提的是采用平面式结构的功率MOSFET也并非不存在,这类元件主要用在高级的音响放大器中。平面式的功率MOSFET在饱和区的特性比垂直结构的MOSFET更好。垂直式功率MOSFET则取其导通电阻(turn-on resistance)非常小的优点,多半用来做开关切换之用。


DMOS

DMOS是双重扩散MOSFET(double-Diffused MOSFET)的缩写,它主要用于高压,属于高压MOS管范畴。
以MOSFET实现模拟开关
MOSFET在导通时的通道电阻低,而截止时的电阻近乎无限大,所以适合作为模拟信号的开关(信号的能量不会因为开关的电阻而损失太多)。MOSFET作为开关时,其源极与漏极的分别和其他的应用是不太相同的,因为信号可以从MOSFET栅极以外的任一端进出。对NMOS开关而言,电压最负的一端就是源极,PMOS则正好相反,电压最正的一端是源极。MOSFET开关能传输的信号会受到其栅极—源极、栅极—漏极,以及漏极到源极的电压限制,如果超过了电压的上限可能会导致MOSFET烧毁。
MOSFET开关的应用范围很广,举凡需要用到取样持有电路(sample-and-hold circuits)或是截波电路(chopper circuits)的设计,例如类比数位转换器(A/D converter)或是切换电容滤波器(switch-capacitor filter)上都可以见到MOSFET开关的踪影。
单一MOSFET开关
当NMOS用来做开关时,其基极接地,栅极为控制开关的端点。当栅极电压减去源极电压超过其导通的临界电压时,此开关的状态为导通。栅极电压继续升高,则NMOS能通过的电流就更大。NMOS做开关时操作在线性区,因为源极与漏极的电压在开关为导通时会趋向一致。
PMOS做开关时,其基极接至电路里电位最高的地方,通常是电源。栅极的电压比源极低、超过其临界电压时,PMOS开关会打开。
NMOS开关能容许通过的电压上限为(Vgate-Vthn),而PMOS开关则为(Vgate+Vthp),这个值通常不是信号原本的电压振幅,也就是说单一MOSFET开关会有让信号振幅变小、信号失真的缺点。
双重MOSFET(CMOS)开关
为了改善前述单一MOSFET开关造成信号失真的缺点,于是使用一个PMOS加上一个NMOS的CMOS开关成为目前最普遍的做法。CMOS开关将PMOS与NMOS的源极与漏极分别连接在一起,而基极的接法则和NMOS与PMOS的传统接法相同。当输入电压在(VDD-Vthn)和(VSS+Vthp)时,PMOS与NMOS都导通,而输入小于(VSS+Vthp)时,只有NMOS导通,输入大于(VDD-Vthn)时只有PMOS导通。这样做的好处是在大部分的输入电压下,PMOS与NMOS皆同时导通,如果任一边的导通电阻上升,则另一边的导通电阻就会下降,所以开关的电阻几乎可以保持定值,减少信号失真。
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