耗尽型MOSFET的基本概念及主要类型

众所周知，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)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，MOSFET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。按照形式划分，MOSFET有增强型和耗尽型两种。在本文中，小编简单介绍下耗尽型MOSFET类型、工作原理和应用特性等相关内容。

基本概念

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，也就是说，在耗尽型MOSFET中，电流从漏极端流向源极。这种类型的MOSFET也被称为常开器件。一旦在MOSFET的栅极端施加电压，源极沟道的漏极电阻将变得更大。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有两种类型，分别是P沟道和N沟道，其中箭头符号表示MOSFET的类型。如果箭头符号在内部方向，则它是N沟道，如果箭头符号在外部，则它是P沟道。两种沟道类型的符号如下图所示：

主要类型

耗尽型MOSFET结构因类型而异，如上所述，它有两种类型，即P沟道耗尽模式和P沟道耗尽模式，下面分别介绍下二者的结构及其工作原理。

1、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。其中，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。

当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的情况。

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(pinch-off mode)。

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。

2、P沟道耗尽型 MOSFET

在P沟道耗尽型MOSFET中，连接源极和漏极的沟道是P型硅，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。P沟道耗尽型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，如下图所示：

一旦在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，这样将在通道内形成耗尽区，所以通道的电导率会降低。最终可以通过在栅极端施加+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，或者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。

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。

漏极特性

1、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。当继续增加VDS值时，漏极电流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，栅极端子上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。

一旦增加这个负电压，复合率也会增加，这将减少该通道中可用的电子数，并将有效地减少电流。

在观察上述特性时，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(pinch-off voltage)。

N沟道耗尽型MOSFET也适用于正电压，所以当我们在栅极端子施加正电压时，电子将被吸引到N沟道，因此该通道内的电子数将增加。所以对于正的Vgs值，ID会比IDSS还要大。

2、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VGS值，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，沟道内的电子数将增加。当VGS为正时，则该区域为增强区域。类似地，当VGS为负时，该区域称为耗尽区。

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，可以找到Vgs的ID值。

3、P沟道耗尽型MOSFET的漏极特性

P沟道耗尽型MOSFET的漏极特性如下图所示。这里VDS电压为负，Vgs电压为正。一旦继续增加Vgs，ID(漏极电流)就会减小。在夹断电压下，漏极电流将变为零。一旦VGS为负值，则漏极电流值甚至会高于IDSS。

4、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。

主要应用

耗尽型MOSFET应用包括以下几方面内容：

耗尽型MOSFET可在恒流源和线性稳压器电路中用作传输晶体管。

广泛用于启动辅助电源电路。

耗尽型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。

用于PWM IC内的反激电路。

用于电信交换机、固态继电器等。

用于电压扫描电路、电流监控电路、LED阵列驱动电路等。

总结

耗尽型MOSFET具有连接源极侧和漏极侧的物理注入沟道。在NMOS中，沟道是连接P型衬底顶部的高掺杂N型源极和N型漏极区域的N型硅区域。电流Id将流动，使栅源电压Vgs=0并在漏极和源极之间施加电压 (Vds)。当Vds大到足以产生夹断时，流过的漏极电流就是饱和电流Idss。

Vgs控制沟道深度和电导率。正Vgs通过吸引更多电子、增加沟道电导率并降低其电阻率来增强N沟道。负Vgs会排斥N沟道的电子，从而降低其电导率。在负Vgs下运行会耗尽其自由载流子的通道 - 耗尽模式。

通过在负方向上越来越多地增加Vgs，N沟道将完全耗尽自由载流子，从而将Id降低到非常接近0A的值，即使在施加Vds的情况下也是如此。这个Vgs负值是NMOS的夹断 (Vp) 或阈值电压 (Vt)。

此外，耗尽型MOSFET可以在增强模式或耗尽模式下工作。正Vgs将使耗尽型NMOS在增强模式运行，而负Vgs将使其运行在耗尽模式。P沟道MOSFET的工作方式与NMOS基本相同，只是这两种类型中的电流和电压极性相反。