功率MOSFET分为耗尽型(DM)和增强型(EM)两种,两者主要在于导电沟道的区别,两者的控制方式不同。
耗尽型MOS管的G端在不施加电压时就会有导电沟道的存在,增强型MOS管则相反,只有在开启后,才会出现导电沟道,它的Vgs必须大于栅极阈值电压才行。
耗尽型MOS管的Vgs(栅极电压)则可以正、零、负电压控制导通。若要使漏极和源极不导通,则需要在栅极处施加一定的负电压,通常会把耗尽型MOSFET理解成一种“常闭开关”。
耗尽型场效应管
沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似,只有一点不同,就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时,沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面,在D、S之间制造的,称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图1.(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线 (插图) 由于耗尽型MOSFET在uGS=0时,漏源之间的沟道已经存在,所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向栅压uGS,栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚,沟道的电导增大。 如果在栅极加负电压(即uGS<0=,就会在相对应的衬底表面感应出正电荷,这些正电荷抵消N沟道中的电子,从而在衬底表面产生一个耗尽层,使沟道变窄,沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压Up时,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断(耗尽),这时即使uDS仍存在,也不会产生漏极电流,即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压,其值通常在–1V–10V之间N沟道耗尽型MOSFET的结构图和转移特性曲线分别如图所示。
耗尽型场效应管
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。当栅极加有电压时,若0<VGS<VGS(th)时,通过栅极和衬底间形成的电容电场作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层;同时将吸引其中的少子向表层运动,但数量有限,不足以形成导电沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID。进一步增加VGS,当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,所以,这种MOS管称为增强型MOS管。VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,如下图
工作原理不同
增强型MOS管(Enhancement Mode MOSFET)在栅极电压为零时,沟道不导电,即处于截止状态。只有当栅极电压大于阈值电压时,沟道才开始导电,漏极和源极之间才有电流流过。因此,增强型MOS管需要正栅压才能工作,具有常闭特性。 耗尽型MOS管(Depletion Mode MOSFET)在栅极电压为零时,沟道已经存在并导电,即处于导通状态。当栅极施加负电压时,沟道变窄,导电能力减弱;当栅极电压降至某一负值时,沟道完全消失,管子截止。因此,耗尽型MOS管可以在零栅压或负栅压下工作,具有常开特性。
结构特点不同
增强型MOS管的栅极与沟道之间通过一层绝缘的氧化物隔开,形成电容结构。当栅极施加正电压时,电容充电,吸引沟道中的电子向栅极靠近,从而形成导电沟道。这种结构使得增强型MOS管具有较高的输入阻抗和较好的隔离性能。 耗尽型MOS管在结构上与增强型类似,但其沟道在零栅压时已经存在。这通常是通过在制造过程中调整沟道区域的杂质浓度来实现的。耗尽型MOS管的栅极电压变化主要影响沟道的宽度和导电能力,而不是沟道的形成。
性能表现不同
由于工作原理和结构特点的差异,增强型和耗尽型MOS管在性能上也有所区别。增强型MOS管具有较高的开关速度和较低的导通电阻,适用于高频、高速电路。同时,由于常闭特性,它在电力电子系统中也具有良好的安全性能。 耗尽型MOS管虽然开关速度相对较低,但其导通电阻较小且在大电流下变化不大,因此具有较好的线性放大特性。此外,耗尽型MOS管可以在负栅压下工作,这使得它在某些特定应用场景中具有独特优势。
应用场景不同
基于上述性能特点,增强型和耗尽型MOS管在应用场景上也有所不同。增强型MOS管广泛应用于数字电路、模拟电路以及电力电子系统中,如开关电源、电机驱动等。其常闭特性保证了系统的安全性和可靠性。 耗尽型MOS管则主要应用于模拟电路中的线性放大、电压调节以及需要负栅压工作的特殊场合。例如,在某些音频放大器中,耗尽型MOS管可以提供更好的音质和更低的失真度。 综上所述,增强型和耗尽型MOS管在工作原理、结构特点、性能表现及应用场景等方面均存在显著差异。了解和掌握这些差异有助于我们更好地选择和使用适合的MOS管类型,以满足不同的电路设计需求。