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什么是耗尽型MOSFET:工作原理及其应用

更新时间: 2022-09-06
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金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是一种电压控制器件,由源极、漏极、栅极和主体等端子构成,用于放大或切换电路内的电压,也广泛用于数字应用的 IC。此外,也用于放大器和滤波器等模拟电路。MOSFET的设计主要是为了克服FET的缺点,例如高漏极电阻、中等输入阻抗和运行缓慢。MOSFET有增强型和耗尽型两种。本文主要介绍耗尽型MOSFET,以及它的使用场景。

什么是耗尽型MOSFET?

连接时通常打开而不施加任何栅极电压的MOSFET称为耗尽型MOSFET。在这个MOSFET中,电流从漏极端流向源极。这种类型的MOSFET也被称为通常在设备上。

一旦在MOSFET的栅极端施加电压,源极沟道的漏极将变得更具电阻。当栅源电压增加更多时,从漏极到源极的电流将减少,直到电流从漏极到源极的流动停止。

耗尽型MOSFET符号

p 沟道和 n 沟道的耗尽型MOSFET符号如下所示。在这些MOSFET中,箭头符号表示MOSFET的类型,如 P 型或 N 型。如果箭头符号在内部方向,则它是 n 通道,如果箭头符号在外部,则它是 p 通道。

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耗尽型MOSFET如何工作?

默认情况下会激活耗尽型MOSFET。在这里,源极和漏极是物理连接的。要了解MOSFET的工作原理,让我们了解耗尽型MOSFET的类型。

耗尽型MOSFET的类型

耗尽型MOSFET结构因类型而异。MOSFET有两种类型的 p 沟道耗尽模式和 n 沟道耗尽模式。因此,下面将讨论每种耗尽型MOSFET结构及其工作原理。

N 沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET的结构如下图所示。在这种耗尽型MOSFET中,源极和漏极通过一小条 N 型半导体连接。这种MOSFET中使用的衬底是 P 型半导体,电子是这种MOSFET中的主要电荷载流子。在这里,源极和漏极被重掺杂。

N 沟道耗尽型MOSFET结构与增强型 n 沟道MOSFET结构相同,只是其工作方式不同。源极和漏极端子之间的间隙由n型杂质组成。

20220906180639.jpg

当我们在源极和漏极等两个端子之间施加电位差时,电流会流过衬底的整个 n 区。当在该MOSFET的栅极端施加负电压时,电荷载流子(如电子)将在介电层下方的 n 区域内被排斥并向下移动。因此,在通道内将发生电荷载流子耗尽。

因此,整体沟道电导率降低。在这种情况下,一旦在 GATE 端施加相同的电压,漏极电流就会减小。一旦负电压进一步增加,它就会达到夹断模式。

这里的漏极电流是通过改变沟道内电荷载流子的耗尽来控制的,所以这被称为耗尽型MOSFET。这里,漏极端子处于+ve电位,栅极端子处于-ve电位,源极处于“0”电位。因此,与源极与栅极相比,漏极与栅极之间的电压变化较高,因此与源极端相比,耗尽层宽度与漏极相比较高。

P沟道耗尽型MOSFET

在 P 沟道耗尽型MOSFET中,一小条 P 型半导体连接源极和漏极。源极和漏极为P型半导体,衬底为N型半导体。大多数电荷载流子是空穴。

p 沟道耗尽型MOSFET结构与 n 沟道耗尽型MOSFET完全相反。该MOSFET包括一个在源极和漏极区域之间制成的沟道,该沟道用p 型杂质重度掺杂。因此,在这个MOSFET中,使用了 n 型衬底,沟道为 p 型,如图所示。

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一旦我们在MOSFET的栅极端施加 +ve 电压,那么 p 型区域中的少数电荷载流子(如电子)将由于静电作用而被吸引并形成固定的负杂质离子。因此,将在通道内形成耗尽区,因此,通道的电导率会降低。这样,通过在栅极端施加+ve电压来控制漏极电流。

一旦我们在MOSFET的栅极端施加 +ve 电压,那么 p 型区域中的少数电荷载流子(如电子)将由于静电作用而被吸引并形成固定的负杂质离子。因此,将在通道内形成耗尽区,因此,通道的电导率会降低。这样,通过在栅极端施加+ve电压来控制漏极电流。

要激活这种耗尽型MOSFET,栅极电压必须为 0V,并且漏极电流值要大,以便晶体管处于有源区。因此,再次打开这个MOSFET,+ve 电压在源极端给出。因此,如果有足够的正电压并且在基极端子上没有施加电压,这个MOSFET将处于最大工作状态并具有高电流。

要停用 P 沟道耗尽型MOSFET,有两种方法可以切断偏置正电压,即为漏极供电,否则您可以向栅极端子施加 -ve 电压。一旦向栅极端子提供-ve 电压,电流将减小。随着栅极电压变得更负,电流减小直到截止,然后MOSFET将处于“关闭”状态。因此,这会阻止大的源极漏电流。

因此,一旦向该MOSFET的栅极端子提供了更多的 -ve 电压,那么该MOSFET将在源极 - 漏极端子上传导更少和更少的电流。一旦栅极电压达到某个 -ve 电压阈值,它就会关闭晶体管。因此,-ve 电压关闭晶体管。

N沟道耗尽型MOSFET的漏极特性

n 沟道耗尽型MOSFET的漏极特性如下所示。这些特性绘制在 VDS 和 IDSS 之间。当我们继续增加 VDS 值时,ID 将增加。达到一定电压后,漏极电流 ID 将变为常数。Vgs = 0 时的饱和电流值称为 IDSS。

每当施加的电压为负时,栅极端子处的该电压就会将电荷载流子(如电子)推向基板。而且这个 p 型衬底内的空穴也会被这些电子吸引。因此,由于这个电压,通道内的电子将与空穴重新结合。复合的速率将取决于施加的负电压。

Drain-Characteristics-of-N-channel-MOSFET.jpg

一旦我们增加这个负电压,复合率也会增加,这样就会减少。该通道内可用的电子数量,将有效地减少电流。

当我们观察上述特性时,可以看出当 VGS 值变得更负时,漏极电流会减小。在一定的电压下,这个负电压会变为零。该电压称为夹断电压。

这个MOSFET也适用于正电压,所以当我们在栅极端施加正电压时,电子将被吸引到 N 沟道。所以没有。该通道内的电子数量将增加。所以这个通道内的电流会增加。所以对于正的 Vgs 值,ID 会比 IDSS 还要大。

N沟道耗尽型MOSFET的传输特性

N 沟道耗尽型MOSFET的传输特性如下所示,与 JFET 类似。这些特性定义了固定 VDS 值的 ID 和 VGS 之间的主要关系。对于正的 VGS 值,我们也可以得到 ID 值。

因此,特性曲线将延伸到右侧。每当 VGS 值为正时,没有。通道内的电子数会增加。当 VGS 为正时,该区域为增强区域。类似地,当 VGS 为负时,该区域称为耗尽区。

Depletion-MOSFET-N-channel-Transfer-Characteristics.jpg

ID和Vgs的主要关系可以用ID = IDSS (1-VGS/VP)^2来表示。通过使用这个表达式,我们可以找到 Vgs 的 ID 值。

P沟道耗尽型MOSFET的漏极特性

P沟道耗尽型MOSFET的漏极特性如下所示。这里,VDS电压为负,Vgs电压为正。一旦我们继续增加 Vgs,Id(漏极电流)就会减小。在夹断电压下,该 Id(漏极电流)将变为零。一旦 VGS 为负值,则 ID 值甚至会高于 IDSS。

P沟道耗尽型MOSFET的传输特性

P 沟道耗尽型MOSFET的传输特性如下所示,它是 n 沟道耗尽型MOSFET传输特性的镜像。在这里我们可以观察到,从截止点到 IDSS,正 VGS 区域的漏极电流增强,然后随着负 VGS 值的增加,它继续增加。

Drain-Transfer-Characteristics-of-P-channel-Depletion-MOSFET.jpg

耗尽型MOSFET应用包括:

(1)在恒流源和线性稳压器电路中用作传输晶体管。
(2)广泛用于启动辅助电源电路。
(3)通常,这些MOSFET在没有施加电压时会打开,这意味着它们可以在正常条件下传导电流。因此,这在数字逻辑电路中用作负载电阻。
(4)用于 PWM IC 内的反激电路。
(5)用于电信交换机、固态继电器等。
(6)用于电压扫描电路、电流监控电路、LED阵列驱动电路等。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的芯片知识。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发,提供8位单片机、16位单片机、32位单片机。