眾所周知,當 V GS 在增強模式下為正時,N 型耗盡型 MOSFET 的行為類似于 N 型增強型 MOSFET;兩者之間的唯一區(qū)別是 V GS = 0V時的漏電流 I DSS量。增強型 MOSFET 在柵極未通電時不應泄漏任何電流,因此當 V GS = 0V 時 I DSS必須 為 0,但當 V GS = 0V 時允許 I DSS電流流過耗盡型 MOSFET 的傳導通道 。
總之,N型MOSFET的增強行為發(fā)生在V GS 為正時,而P型MOSFET的增強行為發(fā)生在V GS 為負時。但是我們從未研究過當 V GS為負時 N 型 MOSFET 的耗盡行為或當 V GS為正 時 P 型 MOSFET 的耗盡行為 !
當然,我們永遠不需要研究 N 型增強型 MOSFET 的耗盡行為,因為它在 V GS 為負時不會泄漏電流,但我們不能忽視 N 型耗盡型 MOSFET 的耗盡行為,因為耗盡型 MOSFET 的開關會產生正稍后將解釋的邏輯操作。同樣,我們永遠不需要研究 P 型增強型 MOSFET 的耗盡行為,因為它在 V GS 為正時不會泄漏電流,但我們不能忽視 P 型耗盡型 MOSFET 的耗盡行為。
對于增強型MOSFET ,當輸入為0V時,V GS 等于-V;大電流將流過 R L ,使輸出電壓接近 +V。當輸入為+V時,V GS 等于0V;沒有電流流過 R L ,因此輸出電壓為 0V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相反的。
但是對于耗盡型MOSFET ,當輸入為0V時,V GS 等于0V;I DSS的大電流 將流過R L,使輸出電壓接近0V。當輸入為+V時,V GS 等于+V,沒有電流流過R L,輸出電壓為+V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相同的。
兩個使用 N 型 MOSFET 的開關電路。對于增強型MOSFET ,當輸入為+V時,V GS 等于+V;大電流將流過 R L ,使輸出電壓接近 0V。當輸入為0V時,V GS 等于0V;沒有電流流過 R L ,因此輸出電壓為 +V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相反的。
但是對于耗盡型MOSFET ,當輸入為+V時,V GS 等于0V;I DSS的大電流 將流過 R L,使輸出電壓接近 +V。當輸入為0V時,V GS 等于-V;沒有電流流過 R L,因此輸出電壓為 0V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相同的。
從以上四個電路中,我們可以得出結論,增強型 MOSFET 提供負邏輯操作,而耗盡型 MOSFET 提供正邏輯操作。P 型耗盡型 MOSFET 類似于 N 型增強型 MOSFET,因為兩者都需要正電壓來激勵柵極;源極端連接到最低地電壓。
同樣,N 型耗盡型 MOSFET 類似于 P 型增強型 MOSFET,因為兩者都需要負電壓來激勵柵極;源極端接最高電源電壓。
當在傳導通道中感應出載流子時,增強型 MOSFET 的控制柵極通電;相反,耗盡型 MOSFET 的控制柵極在導電溝道被夾斷時通電。
耗盡型 MOSFET 的操作顯示了當柵極通電并連接到 +V 時 P 型耗盡型 MOSFET 的夾斷。柵極處的正電壓將誘導帶負電的電子在絕緣體下方積聚并消除傳導通道中的空穴,從而形成沒有載流子的區(qū)域。開始時,該區(qū)域將出現在源極端子附近——與地電位相連——并且該區(qū)域將繼續(xù)擴大,直到 P 通道完全被夾斷。夾斷總是首先發(fā)生在源極端子附近,因為它連接到具有系統(tǒng)最低電位的 0V 地,而輸出漏極端子的電壓永遠不會低于 0V。
緩沖
一旦我們建立了上一節(jié)所示的四個基本開關電路,我們自然可以構建以下兩個 CMOS 電路:增強型 MOSFET 的反相器,以及耗盡型 MOSFET 的同相緩沖器。CMOS電路以其在穩(wěn)定狀態(tài)下不消耗功率的省電能力而著稱;兩個互補 MOSFET 中的一個始終處于 ON 狀態(tài),而另一個處于 OFF 狀態(tài)。由于增強型 MOSFET 的行為眾所周知,我們將只關注耗盡型 MOSFET 的行為。
閂鎖
同相緩沖器的創(chuàng)建也給了我們一個鎖存器。由于緩沖器的輸入信號和輸出信號始終具有相同的相位,我們甚至可以將它們捆綁在一起以產生正反饋來鎖定其狀態(tài)。
鎖存器是用于存儲設備的獨特電路。當輸入信號綁定到 0V 時,N 型 MOSFET 將被夾斷,但 P 型 MOSFET 將導通,因此輸出將為 0V。由于兩個 MOSFET 都處于穩(wěn)定狀態(tài),即使在輸入信號被移除后,輸出也將永遠保持在 0V。
同樣,當輸入信號連接到 +V 時,P 型 MOSFET 將被夾斷,但 N 型 MOSFET 將導通,因此輸出也將為 +V。由于兩個 MOSFET 都處于穩(wěn)定狀態(tài),即使在輸入信號被移除后,輸出也將永遠保持在 +V。
傳統(tǒng)上,它需要兩個反相器來構建一個鎖存器,因為這是產生正反饋的唯一方法。使用正邏輯技術,一個非反相緩沖器足以構建一個鎖存器,并且可以節(jié)省一半的硅片。
記憶細胞
物理上,一個由兩個 MOSFET 的正邏輯技術構建的鎖存器由兩個存儲單元組成,N 型 MOSFET 是鎖定 H 狀態(tài)的存儲單元,而 P 型 MOSFET 是鎖定 L 狀態(tài)的存儲單元??梢允褂脝蝹€ MOSFET 作為存儲單元來存儲數據;然而,由于單個 MOSFET 只能鎖定在邏輯狀態(tài),因此需要刷新機制來保持解鎖狀態(tài),這在 DRAM 應用中很常用。
靜電放電
所有傳統(tǒng)的 MOSFET 產品都會受到靜電放電的損壞,尤其是在未通電的情況下。這是因為在柵極通電之前,增強型 MOSFET 的傳導通道是不存在的;增強型 MOSFET 的所有柵極、源極和漏極端子在系統(tǒng)未上電時都處于高阻抗狀態(tài),因此它們很容易被 ESD 損壞。設計一個在系統(tǒng)未上電時保護增強型 MOSFET 并且同時在系統(tǒng)上電時不消耗功率的低阻抗電路是非常困難的 。
但 ESD 保護對于耗盡型 MOSFET 來說絕不是問題,因為低阻抗傳導通道始終存在于系統(tǒng)通電之前。簡單 ESD 保護電路 可以在系統(tǒng)未通電時通過將柵極輸入連接到電源軌和接地系統(tǒng)來保護高阻抗柵極輸入免受 ESD 事件的影響。系統(tǒng)上電時,ESD 保護電路會自動關閉,不耗電。