基本MOS電晶體

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MOS代表金氧半導體。金氧半導體用於製造電晶體，稱為MOSFET（金氧半導體場效應電晶體）。MOS電晶體廣泛用於各種現代電子和電力電子裝置，如逆變器、微處理器、儲存器IC、數字邏輯電路等等。

什麼是MOS電晶體？

MOS（金氧半導體）電晶體是一種場效應電晶體（FET），可以在耗盡模式和增強模式下工作。MOS電晶體通常由三個端子組成，即柵極（G）、源極（S）和漏極（D）。MOS電晶體的主要部分包括：半導體溝道、氧化物絕緣層、金屬柵極和端子。

關於MOS電晶體最重要的一個方面是它是電壓控制型器件，這意味著透過半導體溝道的操作或電流流動是透過改變施加到柵極端子的電壓來控制的。

在MOS電晶體中，柵極端子由金屬製成，並透過由二氧化矽製成的絕緣層與半導體溝道隔開。這種結構允許柵極電壓在半導體溝道中建立電場並控制其電導率。

MOS電晶體的構造

MOS電晶體由輕摻雜的半導體襯底、兩個重摻雜區域、氧化層和金屬柵極端子組成。

MOS電晶體的基本結構如下圖所示。（此處應插入圖片）

要構造一個MOS電晶體，需要一個輕摻雜的半導體襯底，在其內部擴散兩個重摻雜的半導體區域，它們充當MOS電晶體的源極和漏極。在輕摻雜的半導體襯底上沉積一層由二氧化矽製成的氧化層，金屬柵極端子連線到該氧化層上。這層氧化物層充當金屬柵極端子和輕摻雜半導體襯底之間的絕緣層。

根據所用半導體襯底的型別，MOS電晶體被稱為PMOS和NMOS電晶體。

MOS電晶體的型別

根據半導體溝道的型別，MOS電晶體主要有兩種型別：

• NMOS電晶體（N溝道金氧半導體電晶體）

• PMOS電晶體（P溝道金氧半導體電晶體）

NMOS電晶體

對於NMOS電晶體（N溝道金氧半導體電晶體），在輕摻雜的P型半導體襯底中擴散一個重摻雜的N型區域。在P型襯底上沉積一層絕緣氧化層，金屬柵極端子連線到該氧化層上。

NMOS電晶體的基本結構如下圖所示。（此處應插入圖片）

當向柵極端子施加電壓時，它會在源極和漏極之間形成一個N溝道。在NMOS電晶體中，重摻雜的N型區域充當源極和漏極。

PMOS電晶體

在PMOS電晶體中，在輕摻雜的N型半導體襯底中擴散兩個重摻雜的P型襯底，它們充當源極和漏極。在N型襯底表面沉積一層薄的二氧化矽層。下圖顯示了PMOS電晶體的基本結構。（此處應插入圖片）

當向柵極端子施加電壓時，在源極和漏極之間的N型襯底中會感應出一個P型溝道，電流透過該溝道流動。透過改變柵極電壓來控制流經P溝道的電流。

MOS電晶體的工作區域

MOS電晶體在以下三個區域工作：

• 截止區 - 在截止區工作時，MOS電晶體保持關閉狀態，因此從源極到漏極沒有電流流動。在截止區，MOS電晶體充當開路開關。

• 飽和區 - 在飽和區，MOS電晶體允許電流在源極和漏極之間流動。因此，在飽和區工作的MOS電晶體充當閉路開關。

• 線性/歐姆區 - 線上性區，MOS電晶體在源極和漏極之間的電流流動中提供恆定電阻。該電阻由柵極電壓控制。線上性區工作的MOS電晶體用於放大應用。

MOS電晶體的工作原理

MOS電晶體可以作為固態開關或放大器工作。MOS電晶體的工作完全取決於其型別和偏置，即MOS電晶體可以以兩種模式工作，即耗盡模式和增強模式。

如上所述，MOS電晶體在溝道和柵極端子之間有一個絕緣氧化層。這個氧化物絕緣層增加了MOS電晶體的輸入阻抗。因此，它限制了柵極電流的流動。

MOS電晶體的耗盡模式工作

當MOS電晶體在耗盡模式下工作時，在源極和漏極之間形成一個溝道。施加在源極和漏極之間的電壓導致漏極電流流過源極和漏極之間的溝道。為了減小或停止漏極電流的流動，向柵極端子施加反向偏置電壓，這會耗盡源極和漏極之間的溝道。

MOS電晶體的增強模式工作

當MOS電晶體在增強模式下工作時，向柵極端子施加正向電壓，該電壓會吸引來自半導體襯底的少數載流子，並將這些少數載流子積累在柵極端子正下方。這增加了或增強了溝道的寬度。溝道的寬度取決於施加到柵極端子的電壓量。在源極和漏極之間施加電壓會導致漏極電流流動。

MOS電晶體的優點

MOS（金氧半導體）電晶體的主要優點如下：

• 由於存在絕緣氧化層，MOS電晶體具有非常高的輸入阻抗。因此，只需要非常小的電流來控制電晶體的工作。高輸入阻抗使MOS電晶體更適合於低功耗應用，如數字邏輯電路。

• MOS電晶體提供非常高的開關速度，即它們可以更快地開啟和關閉。因此，它們適用於數位電子電路，在數位電子電路中，高開關速度至關重要。

• MOS電晶體在工作時消耗的能量可忽略不計。這是因為它具有非常低的漏電流和高輸入阻抗。因此，MOS電晶體也適用於電池供電裝置。

• MOS電晶體可以製造成緊湊的尺寸。因此，它們適用於尺寸受限的積體電路。

• 由於單極性特性，MOS電晶體具有無噪聲工作特性。

• 由於電壓控制操作，MOS電晶體的功耗非常低。

• 在低工作電壓下，MOS電晶體效率很高。

• MOS電晶體也可以在高頻下工作。

• MOS電晶體可以在更寬的電壓範圍內工作。

MOS電晶體的缺點

MOS（金氧半導體）電晶體的主要缺點如下：

• 與雙極結型電晶體（BJT）相比，MOS電晶體相對昂貴。

• MOS電晶體的工作電壓能力有限，超過一定的電壓限制可能會擊穿。

• 柵極端子和溝道之間存在絕緣氧化層，由於電容作用可能導致高靜電荷積聚而損壞MOS電晶體。

• MOS電晶體對溫度變化敏感，這會影響其效能。

MOS電晶體的應用

MOS電晶體廣泛應用於許多領域。MOS（金氧半導體）電晶體的一些常見應用如下：

• MOS電晶體廣泛用於電子電路和裝置中，例如微處理器、微控制器等，用於開關目的。

• MOS電晶體也用於電子訊號放大，例如在資料傳輸和通訊等電子系統中。

• MOS電晶體廣泛應用於電力電子應用，例如逆變器。

• MOS電晶體由於其高速執行特性，也用於數位電路和系統。

• MOS電晶體還用於實現高頻放大電路。

• MOS電晶體用於電機驅動器。

• MOS電晶體也用於開關電源(SMPS)單元。

結論

MOS電晶體是各種不同電子系統和裝置中最廣泛使用的電晶體之一。MOS電晶體是高效的場效應電晶體(FET)。MOS電晶體是用於電子開關和放大應用的單極性電晶體。關於MOS電晶體最重要的一點是它們是一種電壓控制型器件。