MOSFET相對(duì)于晶體管三極管BJT的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有哪些？

1、場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電壓控制元件，而雙極結(jié)型晶體管(晶體管三極管BJT)是電流控制元件。在只允許從取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用雙極晶體管。

2、有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比雙極晶體管好。

3、場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而雙極結(jié)型晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。因此被稱之為雙極型器件。

4、場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)作成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發(fā)明的雙載流子結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor,BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型集成電路（Large-Scale Integrated Circuits,LSI）或是超大型集成電路（Very Large-Scale Integrated Circuits,VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過BJT。

由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位信號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多模擬信號(hào)處理的集成電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn)，以下分別介紹這些應(yīng)用。

數(shù)字電路

數(shù)字科技的進(jìn)步，如微處理器運(yùn)算效能不斷提升，帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動(dòng)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(dǎo)體主動(dòng)元件中最快的一種。

MOSFET在數(shù)字信號(hào)處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發(fā)明，這種結(jié)構(gòu)最大的好處是理論上不會(huì)有靜態(tài)的功率損耗，只有在邏輯門（logic gate）的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過。

CMOS邏輯門最基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，在邏輯轉(zhuǎn)換的瞬間同一時(shí)間內(nèi)必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導(dǎo)通的狀態(tài)下，另一種必定是截止?fàn)顟B(tài)，這使得從電源端到接地端不會(huì)有直接導(dǎo)通的路徑，大量節(jié)省了電流或功率的消耗，也降低了集成電路的發(fā)熱量。

MOSFET在數(shù)字電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢(shì)是對(duì)直流（DC）信號(hào)而言，MOSFET的柵極端阻抗為無限大（等效于開路），也就是理論上不會(huì)有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點(diǎn)，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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手BJT相較之下更為省電，而且也更易于驅(qū)動(dòng)。在CMOS邏輯電路里，除了負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)芯片外負(fù)載（off-chip load）的驅(qū)動(dòng)器（driver）外，每一級(jí)的邏輯門都只要面對(duì)同樣是MOSFET的柵極，如此一來較不需考慮邏輯門本身的驅(qū)動(dòng)力。

相較之下，BJT的邏輯電路（例如最常見的TTL）就沒有這些優(yōu)勢(shì)。MOSFET的柵極輸入電阻無限大對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師而言亦有其他優(yōu)點(diǎn)，例如較不需考慮邏輯門輸出端的負(fù)載效應(yīng)（loading effect）。

模擬電路

有一段時(shí)間，MOSFET并非模擬電路設(shè)計(jì)工程師的首選，因?yàn)槟M電路設(shè)計(jì)重視的性能參數(shù)，如晶體管的轉(zhuǎn)導(dǎo)（transconductance）或是電流的驅(qū)動(dòng)力上，MOSFET不如BJT來得適合模擬電路的需求。

但是隨著MOSFET技術(shù)的不斷演進(jìn)，今日的CMOS技術(shù)也已經(jīng)可以符合很多模擬電路的規(guī)格需求。再加上MOSFET因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，沒有BJT的一些致命缺點(diǎn)，如熱破壞（thermal runaway）。

另外，MOSFET在線性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻（poly resistor），或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容（PIP capacitor），甚至在適當(dāng)?shù)碾娐房刂葡驴梢员憩F(xiàn)出電感（inductor）的特性，這些好處都是BJT很難提供的。

也就是說，MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外，也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動(dòng)元件（passive device）。這樣的優(yōu)點(diǎn)讓采用MOSFET實(shí)現(xiàn)模擬電路不但可以滿足規(guī)格上的需求，還可以有效縮小芯片的面積，降低生產(chǎn)成本。

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于整合更多功能至單一芯片的需求也跟著大幅提升，此時(shí)用MOSFET設(shè)計(jì)模擬電路的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)也隨之浮現(xiàn)。為了減少在印刷電路板（Printed Circuit Board,PCB）上使用的集成電路數(shù)量、減少封裝成本與縮小系統(tǒng)的體積，很多原本獨(dú)立的類比芯片與數(shù)位芯片被整合至同一個(gè)芯片內(nèi)。

MOSFET原本在數(shù)位集成電路上就有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在類比集成電路上也大量采用MOSFET之后，把這兩種不同功能的電路整合起來的困難度也顯著的下降。另外像是某些混合信號(hào)電路（Mixed-signal circuits），如類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter,ADC），也得以利用MOSFET技術(shù)設(shè)計(jì)出效能更好的產(chǎn)品。

還有一種整合MOSFET與BJT各自優(yōu)點(diǎn)的制程技術(shù)：BiCMOS（Bipolar-CMOS）也越來越受歡迎。BJT元件在驅(qū)動(dòng)大電流的能力上仍然比一般的CMOS優(yōu)異，在可靠度方面也有一些優(yōu)勢(shì)，例如不容易被“靜電放電”（ESD）破壞。所以很多同時(shí)需要復(fù)噪聲號(hào)處理以及強(qiáng)大電流驅(qū)動(dòng)能力的集成電路產(chǎn)品會(huì)使用BiCMOS技術(shù)來制作。