CMOS管和双极晶体管的区别

场效应管和双极晶体管不同，仅以电子或空穴中的一种载子动作的晶体管。按照结构、原理可以分为：

．接合型场效应管

．MOS型场效应管

N通道接合型场效应管如图所示，以P型半导体的栅极从两侧夹住N型半导体的结构。将PN接合面上外加反向电压时所产生的空乏区域用于电流控制。

N型结晶区域的两端加上直流电压时，电子从源极流向漏极。电子所通过的通道宽度由从两侧面扩散的P型区域以及加在该区域上的负电压所决定。

加强负的栅极电压时，PN接合部分的空乏区域扩展到通道中，而缩小通道宽度。因此，以栅极电极的电压可以控制源极-漏极之间的电流。

用 途

即使栅极电压为零，也有电流流通，因此用于恒定电流源或因低噪音而用于音频放大器等。

结型FET的图形记号

结型FET的动作原理（N通道）

★MOS型场效应管

原 理

即使是夹住氧化膜（O）的金属（M）与半导体（S）的结构（MOS结构），如果在（M）与半导体（S）之间外加电压的话，也可以产生空乏层。再加上较高的电压时，氧华膜下能积蓄电子或空穴，形成反转层。将其作为开关利用的即为MOSFET。

在动作原理图上，如果栅极电压为零，则PN接合面将断开电流，使得电流在源极、漏极之间不流通。如果在栅极旧外加正电压的话，则P型半导体的空穴将从栅极下的氧化膜-P型半导体的表面被驱逐，而形成空乏层。而且，如果再提高栅极电压的话，电子将被吸引表表面，而形成较薄的N型反转层，由此源杖（N型）和漏极（N型）之间连接，使得电流流通。

用 途

因其结构简单、速度快，且栅极驱动简单、具有耐破坏力强等特征，而且使用微细加工技术的话，即可直接提高性能，因此被广泛使用于由LSI的基础器件等高频器件到功率器件（电力控制器件）等的领域中。

MOS FET的图形记号

MOS FET的动作原理（N通道）

常用场效用管

1、MOS场效应管

即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor

Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最

高可达1015Ω）。它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、

耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。

耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通，二者总保持等电

位。图1（a）符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电

流）ID=0。随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的

开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。

国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均为单栅管），4DO1（双栅管）。它们的管脚排列（底视图）见图2。

MOS场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形

成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。因此了厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引

线也应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。

MOS场效应管的检测方法

（1）．准备工作 测量之前，先把人体对地短路后，才能摸触MOSFET的管脚。最好在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位。再把管脚分开，然后拆掉导线。

（2）．判定电极

将万用表拨于R×100档，首先确定栅极。若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G。交换表笔重测量，S-D之间的电阻值应为几百欧至几千

欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极。日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极。

（3）．检查放大能力（跨导）

将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转。双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2。为区分之，可用手分别触摸

G1、G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。 目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需要把各管脚短路了。

MOS场效应晶体管使用注意事项。

MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：

MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装

取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。

焊接用的电烙铁必须良好接地。

在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后在分开。

MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。

电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。

MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。

2、VMOS场效应管

VMOS场效应管（VMOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器

件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大

（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压

放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。

众所周知，传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上，其工作电流基本上是沿水平方向流动。VMOS管则不同，从左下图上可以

看出其两大结构特点:第一，金属栅极采用V型槽结构；第二，具有垂直导电性。由于漏极是从芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流动，而是自重掺杂N+

区（源极S）出发，经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区，最后垂直向下到达漏极D。电流方向如图中箭头所示，因为流通截面积增大，所以能通过大电流。由于在栅

极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。

国内生产VMOS场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等，典型产品有VN401、VN672、VMPT2等。

VMOS场效应管的检测方法

（1）．判定栅极G 将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。

（2）．判定源极S、漏极D 由图1可见，在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔的是S极，红表笔接D极。

（3）．测量漏-源通态电阻RDS（on）将G-S极短路，选择万用表的R×1档，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。

由于测试条件不同，测出的RDS（on）值比手册中给出的典型值要高一些。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS

（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。

（4）．检查跨导 将万用表置于R×1k（或R×100）档，红表笔接S极，黑表笔接D极，手持螺丝刀去碰触栅极，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。

注意事项：

VMOS管亦分N沟道管与P沟道管，但绝大多数产品属于N沟道管。对于P沟道管，测量时应交换表笔的位置。

有少数VMOS管在G-S之间并有保护二极管，本检测方法中的1、2项不再适用。

目前市场上还有一种VMOS管功率模块，专供交流电机调速器、逆变器使用。例如美国IR公司生产的IRFT001型模块，内部有N沟道、P沟道管各三只，构成三相桥式结构。

现在市售VNF系列（N沟道）产品，是美国Supertex公司生产的超高频功率场效应管，其最高工作频率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信号低频跨导gm=2000μS。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。

使用VMOS管时必须加合适的散热器后。以VNF306为例，该管子加装140×140×4（mm）的散热器后，最大功率才能达到30W

8、场效应管与晶体管的比较

场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。

场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

索大好的秘密武器？堆栈式CMOS是什么鬼

名词：层积式CMOS

别名：堆叠式CMOS、堆栈式CMOS

英文：Stacked CMOS

虽然英文Stack确实有“堆栈”的意思，但Stacked CMOS的结构与编程中的“堆栈”数据结构没有半毛钱关系。不过，“堆栈式CMOS”这个名词已经被各大手机厂商炒火了，我们现在再强调翻译的正确性也没有太大作用。

索尼是最早推出层积式CMOS的厂商，产品子品牌为Exmor RS（这里的“S”代表“Stacked”）。它不仅占据了绝大部分市场份额，同时也致力于推进层积式CMOS技术的进步。所以，层积式CMOS的发展其实就是Exmor RS CMOS的发展。

第1代Exmor RS

代表产品：IMX135、IMX145（iPhone5s）

主要改进：缩小模块尺寸

2012年8月，索尼推出第1代层积式CMOS：IMX135、IMX134和ISX014。

在背照式CMOS中，像素和相关电路位于同一平面，再下面则是支持基板；而在层积式CMOS中，像素层独立出来（仍然是背部入射结构），相关电路挪至下方替代原有的支持基板。这带来了2个好处：

像素层和电路层可以分开制造并贴合，电路层能使用更先进的工艺；

表面积利用率更高（元件从平面摆放变成立体堆叠），整个模块的尺寸更小。

背照式CMOS(左)与层积式CMOS(右)结构对比

2013年9月发布的iPhone5S同样搭载了索尼层积式CMOS（IMX145）。与iPhone4S等早期产品相比，IMX145的单像素尺寸增加了0.1μm，模块表面积利用率提高了50%，模块尺寸缩小了20%。

1/2.3英寸800万像素CMOS规格对比

第2代Exmor RS

代表产品：IMX214

主要改进：4K摄像、SME-HDR

2013年4月，索尼推出第2代层积式CMOS：IMX214。与前代产品IMX135相比，IMX214的主要改进有2点，包括：

- 引入SME-HDR技术：以往的软件合成HDR不适合拍摄运动对象。而SME-HDR是基于硬件的HDR合成方法，不仅合成效果更好，同时减轻了处理器的压力。作为结果，IMX214实现了1300万像素、每秒30帧的HDR影像输出。

- 工艺改进：减少微透镜到感光二极管的距离，提高光线利用率，更适合搭配薄的大光圈镜头（在索尼SLT-A99等产品采用的35mm全画幅约2430万像素CMOS上，这被称作“光聚合”技术）。同时，新工艺还减少了像素间的信号串扰，提高弱光下的色彩饱和度。

第3代Exmor RS

代表产品：RX100IV、RX10II

主要改进：内置DRAM，速度更快

如同Intel在芯片制造中的Tick-Tock战略一样，第1代层积式CMOS是结构改进，第2代是工艺改进，第3代再次迎来结构改进——2015年6月，索尼在RX100IV、RX10II上应用了，新一代Exmor RS的主要变化包括：

- 感光面积扩大到1英寸（对角线15.864mm）;

- 3层结构：从上至下依次为像素层、模数转换器（ADC）等相关电路层和内置DRAM层；

- 拆分后，高速处理电路的规模更大，速度更快。

1是像素部分，2是相关电路，3是内置DRAM

传统CMOS（包括第2代层积式CMOS）的图像采集流程是：n列像素信号先进入n个ADC，然后再进入影像处理器（ISP），最后进入缓存；等到全部像素数据进入缓存后，再输出成影像——这种工作流程是果冻效应的根源。

第3代Exmor RS因为内置DRAM，图像采集流程变为：n列像素信号先进入n个ADC，然后进入DRAM；等到全部像素数据进入缓存后，再进入ISP进行处理。ADC工作频率的提高和传输整张影像所需时间的减少了，有效降低了果冻效应等图像变形。

传统CMOS（上）与第3代Exmor RS（下）的图像采集流程对比

值得一提的是，RX100III、RX10一次只能读取4列像素。由于高速处理电路的规模更大，因此RX100IV、RX10II一次可以读取8列像素。配合DRAM，最终实现了每秒16张高速连拍、每秒1000帧高速视频拍摄等新特性。

TIPS：什么是果冻效应

当相机、被摄对象之间存在高速相对位移时（如拍摄高尔夫球挥杆动作、在行驶的车辆上拍摄路边的灯杆等），画面中的直线发生弯曲、图像边缘模糊、部分画面曝光错误，有任一情况都可以称之为果冻效应。

果冻效应的根源是感光元件无法做到全部像素同时采集。

无变形效果（上）与因为采样速度导致的变形效果（下）

小结

最初的CMOS只是一个光信号采集器，输出模拟信号。2007年2月，索尼公布了“采用列并行AD转换的超高速高画质CMOS”技术，实现了CMOS整合ADC。片上ADC和列并行数字CDS也随之成为索尼Exmor CMOS的立命根本。

背照式结构、层积式结构都是为了提高芯片的空间利用率，从平面排布升级到立体堆叠。在这一过程中，不同功能的元件实现了层级独立，制造商可以根据需要应用不同的制造工艺——将尖端制造技术应用在刀刃上，同时控制整体制造成本。

第3代Exmor RS其实已经整合了部分ISP功能，也就是RX100IV、RX10II其实有2级ISP。功能整合应该是相机发展的大趋势，在未来，相信会有更多功能被集成到CMOS上。

最后的最后，背照式、层积式结构是实现曲面感光元件的先决条件。

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