耗盡型MOSFET的基本概念及主要類型

眾所周知，MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)是一種電壓控制器件，由源極、漏極、柵極和主體等端子構(gòu)成，用于放大或切換電路內(nèi)的電壓，也廣泛用于數(shù)字應(yīng)用的IC。

此外，MOSFET也用于放大器和濾波器等模擬電路。MOSFET的設(shè)計主要是為了克服FET的缺點，例如高漏極電阻、中等輸入阻抗和運(yùn)行緩慢。按照形式劃分，MOSFET有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在本文中，小編簡單介紹下耗盡型MOSFET類型、工作原理和應(yīng)用特性等相關(guān)內(nèi)容。

基本概念

連接時通常打開而不施加任何柵極電壓的MOSFET稱為耗盡型MOSFET，也就是說，在耗盡型MOSFET中，電流從漏極端流向源極。這種類型的MOSFET也被稱為常開器件。一旦在MOSFET的柵極端施加電壓，源極溝道的漏極電阻將變得更大。當(dāng)柵源電壓增加更多時，從漏極到源極的電流將減少，直到電流從漏極到源極的流動停止。

耗盡型MOSFET有兩種類型，分別是P溝道和N溝道，其中箭頭符號表示MOSFET的類型。如果箭頭符號在內(nèi)部方向，則它是N溝道，如果箭頭符號在外部，則它是P溝道。兩種溝道類型的符號如下圖所示：

主要類型

耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)因類型而異，如上所述，它有兩種類型，即P溝道耗盡模式和P溝道耗盡模式，下面分別介紹下二者的結(jié)構(gòu)及其工作原理。

1、N溝道耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)如下圖所示，在這種耗盡型MOSFET中，源極和漏極通過一小條N型半導(dǎo)體連接。這種MOSFET中使用的襯底是P型半導(dǎo)體，電子是這種MOSFET中的主要電荷載流子。其中，源極和漏極被重?fù)诫s。

N溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型N溝道MOSFET結(jié)構(gòu)相同，只是其工作方式不同。源極和漏極端子之間的間隙由N型雜質(zhì)組成。

當(dāng)在源極和漏極等兩個端子之間施加電位差時，電流會流過襯底的整個N區(qū)。當(dāng)在該MOSFET的柵極端施加負(fù)電壓時，電荷載流子(如電子)將在介電層下方的 N區(qū)域內(nèi)被排斥并向下移動。因此，在通道內(nèi)將發(fā)生電荷載流子耗盡的情況。

因此，整體溝道電導(dǎo)率降低。在這種情況下，一旦在GATE端施加相同的電壓，漏極電流就會減小。一旦負(fù)電壓進(jìn)一步增加，它就會達(dá)到夾斷模式(pinch-off mode)。

這里的漏極電流是通過改變溝道內(nèi)電荷載流子的耗盡來控制的，所以這被稱為耗盡型MOSFET。這里，漏極端子處于+ve電位，柵極端子處于-ve電位，源極處于“0”電位。因此，與源極與柵極相比，漏極與柵極之間的電壓變化較高，因此與源極端相比，耗盡層寬度與漏極相比較高。

2、P溝道耗盡型 MOSFET

在P溝道耗盡型MOSFET中，連接源極和漏極的溝道是P型硅，襯底為N型半導(dǎo)體。大多數(shù)電荷載流子是空穴。

P溝道耗盡型MOSFET 結(jié)構(gòu)與N溝道耗盡型MOSFET完全相反。P溝道耗盡型MOSFET包括一個在源極和漏極區(qū)域之間制成的溝道，該溝道用P型雜質(zhì)重度摻雜。因此，在這個MOSFET中，使用了N型襯底，溝道為P型，如下圖所示：

一旦在MOSFET的柵極端施加+ve電壓，那么P型區(qū)域中的少數(shù)電荷載流子(如電子)將由于靜電作用而被吸引并形成固定的負(fù)雜質(zhì)離子，這樣將在通道內(nèi)形成耗盡區(qū)，所以通道的電導(dǎo)率會降低。最終可以通過在柵極端施加+ve電壓來控制漏極電流。

要激活這種耗盡型 MOSFET，柵極電壓必須為0V，并且漏極電流值要大，以便晶體管處于有源區(qū)。因此，再次打開這個MOSFET，+ve電壓在源極端給出。因此，如果有足夠的正電壓并且在基極端子上沒有施加電壓，這個MOSFET將處于最大工作狀態(tài)并具有高電流。

要停用P溝道耗盡型MOSFET，有兩種方法可以切斷偏置正電壓，即為漏極供電，或者可以向柵極端子施加-ve電壓。一旦向柵極端子提供-ve電壓，電流將減小。隨著柵極電壓變得更負(fù)，電流減小直到截止，然后MOSFET將處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，這會阻止大的源極漏電流。

一旦向該MOSFET的柵極端子提供了更多的-ve電壓，那么該MOSFET將在源極 - 漏極端子上傳導(dǎo)更少和更少的電流。一旦柵極電壓達(dá)到某個-ve電壓閾值，它就會關(guān)閉晶體管。因此，-ve電壓關(guān)閉晶體管。

漏極特性

1、N溝道耗盡型MOSFET的漏極特性

N溝道耗盡型MOSFET的漏極特性如下所示，這些特性繪制在 VDS和IDSS之間。當(dāng)繼續(xù)增加VDS值時，漏極電流ID將增加。達(dá)到一定電壓后，漏極電流ID將變?yōu)槌?shù)。Vgs=0時的飽和電流值稱為IDSS。

每當(dāng)施加的電壓為負(fù)時，柵極端子上的該電壓就會將電荷載流子(如電子)推向基板。而且這個P型襯底內(nèi)的空穴也會被這些電子吸引。因此，由于這個電壓，通道內(nèi)的電子將與空穴重新結(jié)合。復(fù)合的速率將取決于施加的負(fù)電壓。

一旦增加這個負(fù)電壓，復(fù)合率也會增加，這將減少該通道中可用的電子數(shù)，并將有效地減少電流。

在觀察上述特性時，可以看出當(dāng)VGS值變得更負(fù)時，漏極電流會減小。在一定的電壓下，這個負(fù)電壓會變?yōu)榱?。該電壓稱為夾斷電壓(pinch-off voltage)。

N溝道耗盡型MOSFET也適用于正電壓，所以當(dāng)我們在柵極端子施加正電壓時，電子將被吸引到N溝道，因此該通道內(nèi)的電子數(shù)將增加。所以對于正的Vgs值，ID會比IDSS還要大。

2、N溝道耗盡型MOSFET的傳輸特性

N溝道耗盡型MOSFET的傳輸特性如下所示，與JFET類似。這些特性定義了固定VDS值的ID和VGS之間的主要關(guān)系。對于正VGS值，也可以得到ID值。

因此，特性曲線將延伸到右側(cè)。每當(dāng)VGS值為正時，溝道內(nèi)的電子數(shù)將增加。當(dāng)VGS為正時，則該區(qū)域為增強(qiáng)區(qū)域。類似地，當(dāng)VGS為負(fù)時，該區(qū)域稱為耗盡區(qū)。

ID和Vgs的主要關(guān)系可以用ID=IDSS (1-VGS/VP)^2來表示。通過使用這個表達(dá)式，可以找到Vgs的ID值。

3、P溝道耗盡型MOSFET的漏極特性

P溝道耗盡型MOSFET的漏極特性如下圖所示。這里VDS電壓為負(fù)，Vgs電壓為正。一旦繼續(xù)增加Vgs，ID(漏極電流)就會減小。在夾斷電壓下，漏極電流將變?yōu)榱恪Ｒ坏￢GS為負(fù)值，則漏極電流值甚至?xí)哂贗DSS。

4、P溝道耗盡型MOSFET的傳輸特性

P溝道耗盡型MOSFET的傳輸特性如下所示，它是N溝道耗盡型MOSFET傳輸特性的鏡像。在這里可以觀察到，從截止點到IDSS，正VGS區(qū)域的漏極電流增強(qiáng)，然后隨著負(fù)VGS值的增加，它繼續(xù)增加。

主要應(yīng)用

耗盡型MOSFET應(yīng)用包括以下幾方面內(nèi)容：

耗盡型MOSFET可在恒流源和線性穩(wěn)壓器電路中用作傳輸晶體管。

廣泛用于啟動輔助電源電路。

耗盡型MOSFET在沒有施加電壓時會打開，這意味著它們可以在正常條件下傳導(dǎo)電流。因此，這在數(shù)字邏輯電路中用作負(fù)載電阻。

用于PWM IC內(nèi)的反激電路。

用于電信交換機(jī)、固態(tài)繼電器等。

用于電壓掃描電路、電流監(jiān)控電路、LED陣列驅(qū)動電路等。

總結(jié)

耗盡型MOSFET具有連接源極側(cè)和漏極側(cè)的物理注入溝道。在NMOS中，溝道是連接P型襯底頂部的高摻雜N型源極和N型漏極區(qū)域的N型硅區(qū)域。電流Id將流動，使柵源電壓Vgs=0并在漏極和源極之間施加電壓 (Vds)。當(dāng)Vds大到足以產(chǎn)生夾斷時，流過的漏極電流就是飽和電流Idss。

Vgs控制溝道深度和電導(dǎo)率。正Vgs通過吸引更多電子、增加溝道電導(dǎo)率并降低其電阻率來增強(qiáng)N溝道。負(fù)Vgs會排斥N溝道的電子，從而降低其電導(dǎo)率。在負(fù)Vgs下運(yùn)行會耗盡其自由載流子的通道 - 耗盡模式。

通過在負(fù)方向上越來越多地增加Vgs，N溝道將完全耗盡自由載流子，從而將Id降低到非常接近0A的值，即使在施加Vds的情況下也是如此。這個Vgs負(fù)值是NMOS的夾斷 (Vp) 或閾值電壓 (Vt)。

此外，耗盡型MOSFET可以在增強(qiáng)模式或耗盡模式下工作。正Vgs將使耗盡型NMOS在增強(qiáng)模式運(yùn)行，而負(fù)Vgs將使其運(yùn)行在耗盡模式。P溝道MOSFET的工作方式與NMOS基本相同，只是這兩種類型中的電流和電壓極性相反。