增强型MOSFET结构配置_工作原理_传输特性

MOSFET是一种具有绝缘栅的场效应晶体管，主要用于放大或切换信号。在当前模拟和数字电路中，与BJT相比，MOSFET的使用频率更高一些。

MOSFET主要用于放大器，因为它们具有无限的输入阻抗，因此它允许放大器捕获几乎所有的输入信号。与BJT相比， MOSFET的主要优点是它几乎不需要输入电流来控制负载电流。

MOSFET根据工作模式可以分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET两种类型。在本文中，小编将简单介绍增强型MOSFET的一些基础知识内容。

基本概念

以增强模式工作的MOSFET称为增强型MOSFET。增强模式意味着，每当流向该MOSFET栅极端子的电压增加时，从漏极到源极的电流将增加更多，直到达到最高电平。增强型MOSFET是一个三端电压控制器件，其端子为源极、栅极和漏极。

增强型MOSFET的特点是功耗低、制造简单、几何尺寸小，正是因为些特性才可以更好的将使它们在集成电路中使用。当栅极和源极端子之间没有施加电压时，增强型MOSFET的漏极 (D) 和源极 (S) 之间没有通路。因此，在栅极到源极施加电压将增强通道，使其能够传导电流。这一特性是将此器件称为增强型MOSFET 的主要原因。

符号表示

P沟道和N沟道的增强型MOSFET符号如下图所示。可以看到，一条虚线简单地从源极连接到基板端子，这表示增强模式类型。增强型MOSFET中的电导率通过增加氧化层来增强，氧化层将电荷载流子添加到通道中。通常情况下，该层称为反转层。

增强型MOSFET中的沟道形成在D（漏极）和S（源极）之间。N沟道型使用P型基板，P沟道型使用N型基板。这里由于电荷载流子的沟道电导率主要取决于相应的P型或N型沟道。

结构配置

增强型MOSFET包括栅极、漏极和源极，其主体称为内部连接到源极的衬底，另外，金属栅极端子与半导体层通过二氧化硅层或介电层绝缘，其结构配置如下：

增强型MOSFET由两种材料构成，分别为P型和N型半导体，基板为设备提供物理支撑。薄的SiO层和出色的电绝缘体简单地覆盖了源极和漏极之间的区域。在氧化物层上，金属层形成栅电极。

在这种结构中，两个N区在轻掺杂P型衬底上隔开几微米的距离。这两个N区的执行方式与源极和漏极端子相同。在表面上，形成了一层薄的绝缘层，称为二氧化硅。在该层上形成的电荷载流子（如孔）将为源极和漏极端子建立铝接触。

该导电层的作用类似于位于SiO2上的终端栅极以及通道的整个区域。但是对于传导，它不包含任何物理沟道。在这种增强型MOSFET中，p型衬底在整个SiO2层上延伸。

工作原理

增强型MOSFET的工作原理是当VGS为0V时没有通道连接源极和漏极。P型衬底只有少量热产生的少数载流子，如自由电子，因此漏极电流为零。由于这个原因，这个MOSFET将为常闭。

一旦栅极 (G) 为正 (+ve)，它就会吸引少数电荷载流子，例如来自P衬底的电子，这些电荷载流子将通过SiO2层下的空穴结合。进一步增加VGS，则电子将有足够的潜力来克服和键合更多的电荷载流子，即电子沉积在通道中。

在这里，电介质用于防止电子在二氧化硅层上移动。这种积累将导致漏极和源极之间形成N沟道，所以这会导致产生的漏极电流流过整个通道。该漏极电流与沟道电阻成正比，沟道电阻进一步取决于吸引到栅极+ve 端子的电荷载流子。

主要类型

增强型MOSFET主要有两种类型，分别是N沟道和P沟道增强型MOSFET。

在N沟道增强型中，使用轻掺杂的P衬底，两个重掺杂的N型区域将构成源极和漏极端子。在这种类型的增强型MOSFET中，大多数电荷载流子是电子。

在P沟道增强型中，使用轻掺杂的N衬底，两个重掺杂的P型区域将构成源极和漏极端子。在这种类型的增强型MOSFET中，大多数电荷载流子是空穴。

主要特征

下面分别介绍下N沟道增强型和P沟道增强型的MOSFET VI和漏极特性。

1、N沟道漏极特性

N沟道增强型MOSFET漏极特性如下图所示。在这些特性中，可以观察到在Id和Vds之间绘制的不同Vgs值的漏极特性，也就是当Vgs值增加时，漏极电流“Id”也会增加。

特性上的抛物线曲线将显示Vds的轨迹，其中Id（漏极电流）将达到饱和。另外，在该图中，还显示了线性或欧姆区域。在这个区域，MOSFET可以用作压控电阻。因此，对于固定的Vds值，一旦改变Vgs电压值，那么沟道宽度就会改变，或者可以说沟道的电阻会改变。

欧姆区域是电流“IDS”随着VDS值的增加而升高的区域。一旦MOSFET设计为在欧姆区域工作，它们就可以用作放大器。

晶体管开启并开始在整个通道中流动电流的栅极电压称为阈值电压（VT或VTH）。对于N通道，此阈值电压值范围为0.5V ~ 0.7V，而对于P通道器件，其范围为-0.5V ~ -0.8V。

每当Vds<Vgs-Vt & Vgs > Vt时，在这种情况下，MOSFET将工作在线性区域。所以在这个区域，它可以起到压控电阻的作用。

在截止区域，当电压 Vgs <VT时，整个MOSFET的电流为零，或者可以说MOSFET将保持在关闭状态。

每当MOSFET在轨迹的右侧运行时，就可以说它是在饱和区运行的。因此，从数学上讲，只要Vgs电压大于或等于Vgs-Vt，它就会工作在饱和区。

2、N沟道传输特性

N沟道增强型MOSFET的传输特性如下图所示。传输特性显示了输入电压“Vgs”和输出漏极电流“Id”之间的关系。这些特征基本上显示了当Vgs值变化时“Id”是如何变化的。因此，从这些特性中可以观察到漏极电流“Id”在阈值电压之前为零。之后，当增加Vgs值时，“Id”会增加。

当前“Id”和Vgs之间的关系可以表示为Id = k(Vgs-Vt)^2。其中，“k”是设备常数，取决于设备的物理参数。因此，通过使用这个表达式，可以找出固定Vgs 值的漏极电流值。

3、P沟道漏极特性

P沟道增强型MOSFET漏极特性如下图所示。其中，Vds和Vgs为负值。漏极电流“Id”将从源极供应到漏极端子。从该图中可以注意到，当Vgs变得更负时，漏极电流“Id”也会增加。

4、P沟道传输特性

当Vgs >VT时，该MOSFET将工作在截止区域。同样，如果观察这个MOSFET的传输特性，那么它将是N沟道的镜像。

偏置应用

通常情况下，增强型MOSFET要么使用分压器偏置，要么使用漏极反馈偏置，但是不能通过自偏置和零偏置偏置。

1、分压器偏置

N沟道增强型MOSFET的分压器偏置如下图所示。分压器偏置类似于使用BJT的分压器电路。事实上，N沟道增强型MOSFET需要高于其源极的栅极端子，就像 NPN BJT需要一个高于其发射极的基极电压一样。

在该电路中，R1和R2等电阻器用于构成用于建立栅极电压的分压器电路。

当增强型MOSFET的源极直接连接到GND时，VGS=VG。因此，电阻R2两端的电势需要设置在VGS(th) 以上，以使增强型MOSFET特性方程：I_D = K (V _GS -V _GS (th))^2正常工作。

通过知道VG值，可以使用增强型MOSFET的特性方程来建立漏极电流。同时，设备常数“k”是唯一可以根据VGS（on）和ID（on）坐标对为任何特定设备计算的缺失因子。

常数“k”源自增强型MOSFET的特性方程：K = I _D /(V _GS -V _GS (th))^2。

因此，该值可用于其他偏置点。

2、漏极反馈偏置

这种偏置使用上述特性曲线上的“on”工作点。这个想法是通过适当的电源和漏极电阻器来设置漏极电流，漏极反馈电路原型如下图所示。

这是一个非常简单的电路，它使用了一些基本组件。这个操作是通过应用KVL来理解的，具体如下：

V _DD = V _RD + V _RG + V _GS

V _DD = I _D R _D + I _G R _G + V _GS

这里，栅极电流无关紧要，因此上述等式将变为：

V _DD =I _D R _D +V _GS、V _{DS =} V _GS

可以得出：

V _GS =V _DS = V _DD - I _D R _D

上面的等式可用作偏置电路设计的基础。

增强型MOSFET与耗尽型MOSFET的区别

增强型MOSFET与耗尽型MOSFET区别差异包括以下几方面内容：

主要应用

增强型MOSFET的应用包括以下几点内容：

• 通常情况下，增强型MOSFET用于开关、放大器和逆变器电路。
• 这些用于不同的电机驱动器、数字控制器和电力电子IC。
• 用于数字电子产品。

总结

以上就是关于增强型MOSFET类型、特性和工作原理等相关内容的改善，可以看出，增强型MOSFET可用于仅在增强模式下运行的高功率和低功率MOSFE版本。