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发布日期:2020-11-19  浏览次数:819
核心提示:金氧半场效晶体管(MOSFET)凭借其通用性和广泛用途跻身于最受欢迎的晶体管之列。本指南将详述这类晶体管MOSFET的工作机制,并提

金氧半场效晶体管(MOSFET)凭借其通用性和广泛用途跻身于最受欢迎的晶体管之列。本指南将详述这类晶体管MOSFET的工作机制,并提供关于使用和选择恰当MOSFET类型的实用建议。

主要的晶体管类型

晶体管主要有两种。一种是双极结型晶体管(BJT),另一种是场效应晶体管(FET)。MOSFET属于一种场效应晶体管。BJT通常用于1安培以下电流;MOSFET通常用于较大电流应用。

MOSFET有耗尽型和增强型两种。耗尽型的工作原理类似于闭合开关,加正电压则产生工作电流,加负电压以后工作电流停止。而增强型MOSFET是现代应用最常用的一种类型。

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什么是MOSFET?

金属-氧化物半导体场效应晶体管(简称MOSFET)是一种数字和模拟电路中通用的半导体,同时也是一种有用的功率器件。作为一种原始的紧凑型晶体管,MOSFET适用于广泛的电气应用。

一直以来,人们普遍认为如果没有MOSFET,21世纪许多的技术进步都无法实现。MOSFET用途较BJT更为广泛,原因在于它所需的负载电流控制电流很小。增强型MOSFET的电导率可在"常闭"状态下增加。通过栅极传输的电压可以使"常开"状态下的电导率降至最低。MOSFET的小型化过程相对简单,可有效缩小,用于紧凑型应用。

MOSFET的其他优势包括:快速切换(特别是关于数字信号)、最小功耗以及高密度电容,这一点使它成为大规模集成的理想应用。

MOSFET是集成电路的核心组件,凭借其小型化可在一个单芯片中完成设计制造。集成电路芯片上的MOSFET为四端元件,分别为源极(S)、栅极(G)、漏极(D)和基极(B)。基极通常与源级连接,从而使MOSFET发挥场效应晶体管功能。

MOSFET的工作原理和用途

MOSFET有三个极,分别是源极(S)、栅极(G)和漏极(D)。它们能有效控制源极和漏极触点之间的电流流动,通过栅极加电压。可通过改变电压使电通道出现或消失;相应地,也能使电气元件接通或关闭。使用半导体可使不同类的杂质隔离。这意味着携带不同信号的电荷可有效隔绝,形成障壁,阻止电荷的区域间流动。

MOSFET

电流从栅极到源极的传递将导致电流从漏极流向源极。当没有电流通过或通过电流较小时,漏极-源极电阻势必会很大。但应当明确,微控制器工作电压为5v或3.3v时,与微控制器配套的MOSFET可能需要10-15的栅极和源极电势差,以使漏极和源极之间电阻达到最低水平。

MOSFET栅极和源极之间的电容可防止不同状态间的迅速切换。内部电容上电压的快速变化需要大电流。它必须在变化(源极)和放电(槽)之间进行自动切换。栅极所加电压的改变会导致漏极和源极间电阻的同时改变。电压的高低将与电阻的大小直接相关。功率MOSFET针对大功率级应用设计。

MOSFET晶体管的不同类型

PMOS逻辑

如前所述,MOSFET的集成实现了相较于BJT的高电路效率。P通道MOSFET能够与PMOS逻辑一同实现数字电路和逻辑门。

NMOS逻辑

除了N通道MOSFET应用于逻辑门和相关数字电路之外,NMOS逻辑和PMOS逻辑类似。一般情况下,N通道MOSFET可能比P通道MOSFET更小型,从而在某些情况下更具吸引力。但NMOS逻辑有持续功耗,而PMOS逻辑没有。

CMOS逻辑

互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑是一种集成电路生产技术。此类电路广泛应用于各种电气组件,并能发电。P通道和N通道MOSFET均与互联的栅极和漏极联用,从而降低功耗,减少余热产生。

耗尽型MOSFET器件

耗尽型MOSFET器件在MOSFET器件中较不常见。耗尽型MOSFET器件通道电阻小,一般认为通道"开启"。当设定为无功耗状态时,这些开关将根据自身设计工作。通道电阻呈线性关系,在信号幅度范围内失真低。

MISFETs

所有MOSFET均属于MISFET(金属绝缘层半导体场效应晶体管),但并非所有的MISFET均属于MOSFET。这类组件内的门逻辑绝缘层为MOSFET中所用的二氧化硅,但也可能使用其他材料。门逻辑位于栅极下方,MISFET通道上方。

浮栅MOSFET(FGMOS)

浮栅MOSFET有一个额外的电绝缘浮栅。它能在直流电中生成一个浮动节点,同时在浮栅上方生成一系列辅助栅输入。在其众多用途中,FGMOS通常用作浮栅存储单元。

功率MOSFET

功率MOSFET为垂直结构,而非平面结构。这一结构使功率MOSFET能同时保持高阻塞电压和高电流。该晶体管的额定电压与N沟道外延层的掺杂和厚度直接相关,额定电流由通道宽度决定。组件区域和这类器件维持的电流大小间也有直接的联系。功率MOSFET具有低栅驱动功能、迅速的切换速度和先进的并联功能。

DMOS

功率MOSFET是双扩散金属氧化物半导体,有横向和纵向两种。大多数功率MOSFET利用该技术构造。

MOS电容器

这类电容器结构同MOSFET,且MOS电容器两侧有双P-N端。MOS电容器通常用作内存芯片存储电容器并为图像传感器技术中的电荷耦合元件(CCD)提供支持。

TFT

薄膜晶体管(TFT)是一种特殊的MOSFET。其中的不同之处在于薄膜晶体管(TFT)涉及半导体薄膜,以及逻辑层和金属触点在支撑基板上的沉积。使用的半导体材料各式各样,其中硅最常用。它可以做到高透明度,用于生产视频显示面板。

双极MOS晶体管

BiCMOS是一种集BJT和CMOS晶体管于一个单芯片上的集成电路。绝缘栅双极晶体管(IGBT)功能类似于MOSFET和双极结型晶体管(BJT)。

MOS传感器

当前已成功研发出一系列MOS传感器,可精确测量物理、化学、生物和环境变量。开栅FET(OGFET)、离子敏场效应晶体管(ISFET)、气体传感器FET、电荷流动晶体管(CFT)及酶场效应晶体管等都属于MOS传感器。电荷耦合元件(CCD)和有源像素传感器(CMOS传感器)等常用于数字成像。

多栅极场效应晶体管

双栅MOSFET有四极管配置,电流大小由两个栅极控制。双栅MOSFET常用于射频应用中的小信号器件,降低与密勒效应相关的增益耗损。这一点当共源共栅配置中的单独晶体管更换时可实现。

RHBD

这种环形栅晶体管常用于制作抗辐射加固设计(RHBD)器件。MOSFET的栅极通常围绕着漏极。漏极靠近ELT的中心。如此,MOSFET的源极围绕栅极。H栅极是另一种类型的MOSFET,确保了最低的辐射泄露。

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