P溝道MOSFET的基本概念及主要類(lèi)型

MOSFET是一種三端、電壓控制、高輸入阻抗和單極器件，是不同電子電路中必不可少的元件。一般來(lái)說(shuō)，這些器件根據(jù)其默認(rèn)狀態(tài)下是否有相應(yīng)的通道，分為增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET兩類(lèi)。

同樣，增強(qiáng)型MOSFET分為P溝道增強(qiáng)型和N溝道增強(qiáng)型，耗盡型MOSFET分為P溝道耗盡型和N溝道耗盡型。在本文中，小編將介紹其中一種類(lèi)型的MOSFET，即P溝道MOSFET。

基本概念

溝道由大多數(shù)電荷載流子作為空穴組成的一種MOSFET稱(chēng)為P溝道MOSFET。一旦這個(gè)MOSFET被激活，那么大多數(shù)電荷載流子(如空穴)將在整個(gè)通道中移動(dòng)。

P溝道MOSFET與N溝道MOSFET不同，因?yàn)樵贜 MOSFET中，大部分電荷載流子是電子。增強(qiáng)模式和耗盡模式下的P溝道MOSFET符號(hào)如下圖所示：

P溝道MOSFET包括一個(gè)P溝道區(qū)域，該區(qū)域布置在兩個(gè)端子之間，如源極 (S) 和漏極 (D) 并且主體為N區(qū)域。與N溝道MOSFET類(lèi)似，這種類(lèi)型的MOSFET也包括源極、漏極和柵極三個(gè)端子。其中，源極和漏極都用P型材料重?fù)诫s，并且P溝道MOSFET中使用的襯底類(lèi)型是N型。

工作原理

P溝道MOSFET中的大多數(shù)電荷載流子是空穴，與N溝道MOSFET中使用的電子相比，這些電荷載流子的遷移率較低。P溝道和N溝道MOSFET之間的主要區(qū)別在于，在P溝道中，需要從Vgs(柵極端子到源極)的負(fù)電壓來(lái)激活MOSFET，而在N溝道中，它需要正VGS電壓。因此，這使得P溝道型MOSFET成為高端開(kāi)關(guān)的完美選擇。

每當(dāng)在P溝道MOSFET的柵極端施加負(fù) (-) 電壓時(shí)，氧化物層下方可用的電荷載流子(如電子)就會(huì)被向下推入襯底，空穴占據(jù)的耗盡區(qū)與施主原子相連。因此，負(fù) (-) 柵極電壓會(huì)將空穴從漏極區(qū)域和p+源極吸引到溝道區(qū)域。

主要類(lèi)型

目前有兩種類(lèi)型的P溝道MOSFET可用，即P溝道增強(qiáng)型MOSFET和P溝道耗盡型MOSFET。

1、P溝道增強(qiáng)型MOSFET

P溝道增強(qiáng)型MOSFET采用輕摻雜N襯底進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。在這里，兩種重?fù)诫s的P型材料通過(guò)一定溝道長(zhǎng)度分開(kāi)，薄二氧化硅層沉積在通常稱(chēng)為介電層的基板上。在P溝道增強(qiáng)型MOSFET中，兩種P型材料形成源極 (S) 和漏極 (D)，鋁用作電介質(zhì)上的鍍層以形成柵極 (G) 端子。其中，MOSFET的源極和主體簡(jiǎn)單地連接到 GND。

當(dāng)向柵極 (G) 端子施加負(fù)電壓時(shí)，由于電容效應(yīng)，電荷的+ve濃度將穩(wěn)定在介電層下方。由于排斥力，在N襯底上可用的電子將被移動(dòng)。

當(dāng)在漏極端子施加負(fù)電壓時(shí)，漏極區(qū)域內(nèi)的負(fù)電壓減小，柵極和漏極之間的電壓差減小，因此，導(dǎo)電溝道寬度向漏極區(qū)域減小，電流從源極供應(yīng)到漏極。

MOSFET內(nèi)形成的溝道對(duì)從源極到漏極的電流提供阻力，并且溝通的橫截面取決于施加在柵極端子上的負(fù)電壓。因此，從源極流向漏極的電流可以通過(guò)施加在柵極端子上的電壓來(lái)控制，所以MOSFET被稱(chēng)為電壓控制器件。當(dāng)空穴濃度形成溝道時(shí)，由于負(fù)柵極電壓的增加，整個(gè)溝道的電流得到改善，因此這被稱(chēng)為 P溝道增強(qiáng)型MOSFET。

2、P溝道耗盡型MOSFET

P溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)與N溝道耗盡型MOSFET相反。由于其中存在可用的P型雜質(zhì)，因此該MOSFET中的通道是預(yù)先構(gòu)建的。一旦在柵極端施加負(fù) (-) 電壓，N型中的少數(shù)電荷載流子(如電子)就會(huì)被吸引到P型溝道。在這種情況下，一旦漏極反向偏置，則器件開(kāi)始導(dǎo)通，盡管當(dāng)漏極內(nèi)的負(fù)電壓增強(qiáng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致耗盡層形成。

該區(qū)域主要取決于由于空穴而形成的層濃度。耗盡層的區(qū)域?qū)挾葧?huì)影響溝道的電導(dǎo)率值。因此，通過(guò)該區(qū)域電壓值的變化，電流的流動(dòng)得到控制。最后，柵極和漏極將保持負(fù)極性，而源極保持在“0”值。

應(yīng)用電路

用于控制電機(jī)的互補(bǔ)MOSFET開(kāi)關(guān)電路如下所示。該開(kāi)關(guān)電路使用兩個(gè)MOSFET(如P通道和N通道)來(lái)雙向控制電機(jī)。在該電路中，這兩個(gè)MOSFET通過(guò)連接在公共漏極和參考GND之間的電機(jī)，使用雙電源簡(jiǎn)單地連接以生成雙向開(kāi)關(guān)。

一旦輸入電壓為低，則連接在電路中的P溝道 MOSFET將被打開(kāi)，而N溝道MOSFET將被關(guān)閉，因?yàn)槠鋿艠O到源極結(jié)為負(fù)偏置，因此電路中的電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此處，電機(jī)通過(guò)使用+VDD電源軌運(yùn)行。

類(lèi)似地，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，N溝道MOSFET導(dǎo)通而P溝道器件關(guān)斷，因?yàn)槠鋿艠O到源極結(jié)為正偏置?，F(xiàn)在電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)通過(guò)-VDD電源軌供電時(shí)，電機(jī)的端子電壓已經(jīng)反轉(zhuǎn)。

之后，對(duì)于電機(jī)的正向，P溝道型MOSFET用于切換電機(jī)的+ve電源，而對(duì)于反向，N溝道MOSFET用于將-ve電源切換到電機(jī)馬達(dá)。

當(dāng)兩個(gè)MOSFET都關(guān)閉時(shí)，電機(jī)將停止工作。

當(dāng)MOSFET1開(kāi)啟時(shí)，MOSFET2關(guān)閉，然后電機(jī)正向運(yùn)行。

當(dāng)MOSFET1關(guān)閉時(shí)，MOSFET2開(kāi)啟，然后電機(jī)反向運(yùn)行。

測(cè)試方法

可以使用數(shù)字萬(wàn)用表按照以下步驟對(duì)P溝道MOSFET進(jìn)行測(cè)試。

首先，需要將萬(wàn)用表設(shè)置為二極管量程。

將MOSFET放在任何木桌上，使其印刷面朝向自己。

通過(guò)使用數(shù)字萬(wàn)用表的探針，將MOSFET的漏極和柵極短接，首先讓器件內(nèi)部的電容放電，在MOSFET的測(cè)試過(guò)程中是非常必要的。

現(xiàn)在將萬(wàn)用表的紅色探針?lè)旁谠礃O端子上，將黑色探針?lè)旁诼O端子上。

這時(shí)候?qū)⒃谌f(wàn)用表顯示屏上獲得開(kāi)路讀數(shù)。

之后，在不改變MOSFET源極端子的紅色探針的情況下，從漏極端子取下黑色探針并將其放在MOSFET的柵極端子上幾秒鐘，然后將其放回MOSFET 的漏極端子。

此時(shí)，萬(wàn)用表會(huì)在萬(wàn)用表顯示屏上顯示低值或連續(xù)值。

通過(guò)上述步驟，將驗(yàn)證MOSFET是否正常且沒(méi)有任何問(wèn)題。任何其它類(lèi)型的讀數(shù)都將表示是有缺陷的MOSFET。

故障模式

即使有良好的設(shè)計(jì)、最好的組件和新的電機(jī)，MOSFET故障也會(huì)經(jīng)常發(fā)生，原因多種多樣。通常情況下，MOSFET非常堅(jiān)固——但是，由于超出額定值，它們可能會(huì)很快失效。這里將簡(jiǎn)單介紹MOSFET的一些主要故障模式以及如何避免它們。

找出MOSFET內(nèi)部發(fā)生的故障是非常困難的，因?yàn)椴恢谰烤故悄睦锇l(fā)生了什么故障。在這里，簡(jiǎn)單列出了MOSFET中發(fā)生的一些常見(jiàn)故障模式。

每當(dāng)通過(guò)MOSFET提供高電流時(shí)，它就會(huì)變熱。散熱不良也會(huì)因極端溫度而損壞MOSFET。

電池故障。

雪崩失敗。

dV/dt故障。

電機(jī)阻塞或卡住。

快速加速或減速。

功耗過(guò)大。

過(guò)電流。

負(fù)載短路

卡有異物。

主要特點(diǎn)

P溝道MOSFET的主要特點(diǎn)包括：

它是電壓控制器件。

具有高輸入阻抗值。

在P溝道中，溝道的導(dǎo)電性是由于柵極端的負(fù)極性。

與N溝道相比，P溝道MOSFET特性基本都差不多，但唯一的區(qū)別是極性不同，因?yàn)檫@襯底值是不一樣的。

優(yōu)缺點(diǎn)

P溝道MOSFET的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，因此適用于空間受限的地方，例如低壓驅(qū)動(dòng)器和非隔離POL應(yīng)用。

這是高端開(kāi)關(guān)位置內(nèi)的簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)方法，可以降低總體成本。

在低電壓下工作時(shí)，MOSFET提供的效率更高。

與JFET相比，MOSFET具有高輸入阻抗。

由于溝道電阻較小，它們具有較高的漏極電阻。

制造起來(lái)非常簡(jiǎn)單。

與JFET相比，它支持高速操作。

P溝道MOSFET的缺點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

MOSFET的薄氧化層會(huì)使其在受到靜電荷感應(yīng)時(shí)容易受到損壞。

當(dāng)使用高電壓時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，P溝道MOSFET就是溝道由大多數(shù)電荷載流子作為空穴組成的一種類(lèi)型MOSFET。由于P溝道MOSFET的空穴遷移率低，因而在幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，P溝道MOSFET的跨導(dǎo)小于N溝道MOSFET。此外，P溝道MOSFET閾值電壓的絕對(duì)值一般偏高，所以要求有較高的工作電壓。