金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)是一種電壓控制器件，由源極、漏極、柵極和主體等端子構(gòu)成，用于放大或切換電路內(nèi)的電壓，也廣泛用于數(shù)字應(yīng)用的 IC。此外，也用于放大器和濾波器等模擬電路。MOSFET的設(shè)計(jì)主要是為了克服FET的缺點(diǎn)，例如高漏極電阻、中等輸入阻抗和運(yùn)行緩慢。MOSFET有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。本文主要介紹耗盡型MOSFET，以及它的使用場(chǎng)景。

什么是耗盡型MOSFET?

連接時(shí)通常打開(kāi)而不施加任何柵極電壓的MOSFET稱為耗盡型MOSFET。在這個(gè)MOSFET中，電流從漏極端流向源極。這種類型的MOSFET也被稱為通常在設(shè)備上。

一旦在MOSFET的柵極端施加電壓，源極溝道的漏極將變得更具電阻。當(dāng)柵源電壓增加更多時(shí)，從漏極到源極的電流將減少，直到電流從漏極到源極的流動(dòng)停止。

N 溝道耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)如下圖所示。在這種耗盡型MOSFET中，源極和漏極通過(guò)一小條 N 型半導(dǎo)體連接。這種MOSFET中使用的襯底是 P 型半導(dǎo)體，電子是這種MOSFET中的主要電荷載流子。在這里，源極和漏極被重?fù)诫s。

N 溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型 n 溝道MOSFET結(jié)構(gòu)相同，只是其工作方式不同。源極和漏極端子之間的間隙由n型雜質(zhì)組成。

當(dāng)我們?cè)谠礃O和漏極等兩個(gè)端子之間施加電位差時(shí)，電流會(huì)流過(guò)襯底的整個(gè) n 區(qū)。當(dāng)在該MOSFET的柵極端施加負(fù)電壓時(shí)，電荷載流子(如電子)將在介電層下方的 n 區(qū)域內(nèi)被排斥并向下移動(dòng)。因此，在通道內(nèi)將發(fā)生電荷載流子耗盡。

因此，整體溝道電導(dǎo)率降低。在這種情況下，一旦在 GATE 端施加相同的電壓，漏極電流就會(huì)減小。一旦負(fù)電壓進(jìn)一步增加，它就會(huì)達(dá)到夾斷模式。

這里的漏極電流是通過(guò)改變溝道內(nèi)電荷載流子的耗盡來(lái)控制的，所以這被稱為耗盡型MOSFET。這里，漏極端子處于+ve電位，柵極端子處于-ve電位，源極處于“0”電位。因此，與源極與柵極相比，漏極與柵極之間的電壓變化較高，因此與源極端相比，耗盡層寬度與漏極相比較高。

P溝道耗盡型MOSFET

在 P 溝道耗盡型MOSFET中，一小條 P 型半導(dǎo)體連接源極和漏極。源極和漏極為P型半導(dǎo)體，襯底為N型半導(dǎo)體。大多數(shù)電荷載流子是空穴。

p 溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)與 n 溝道耗盡型MOSFET完全相反。該MOSFET包括一個(gè)在源極和漏極區(qū)域之間制成的溝道，該溝道用p 型雜質(zhì)重度摻雜。因此，在這個(gè)MOSFET中，使用了 n 型襯底，溝道為 p 型，如圖所示。

一旦我們?cè)贛OSFET的柵極端施加 +ve 電壓，那么 p 型區(qū)域中的少數(shù)電荷載流子(如電子)將由于靜電作用而被吸引并形成固定的負(fù)雜質(zhì)離子。因此，將在通道內(nèi)形成耗盡區(qū)，因此，通道的電導(dǎo)率會(huì)降低。這樣，通過(guò)在柵極端施加+ve電壓來(lái)控制漏極電流。

一旦我們?cè)贛OSFET的柵極端施加 +ve 電壓，那么 p 型區(qū)域中的少數(shù)電荷載流子(如電子)將由于靜電作用而被吸引并形成固定的負(fù)雜質(zhì)離子。因此，將在通道內(nèi)形成耗盡區(qū)，因此，通道的電導(dǎo)率會(huì)降低。這樣，通過(guò)在柵極端施加+ve電壓來(lái)控制漏極電流。

要激活這種耗盡型MOSFET，柵極電壓必須為 0V，并且漏極電流值要大，以便晶體管處于有源區(qū)。因此，再次打開(kāi)這個(gè)MOSFET，+ve 電壓在源極端給出。因此，如果有足夠的正電壓并且在基極端子上沒(méi)有施加電壓，這個(gè)MOSFET將處于最大工作狀態(tài)并具有高電流。

要停用 P 溝道耗盡型MOSFET，有兩種方法可以切斷偏置正電壓，即為漏極供電，否則您可以向柵極端子施加 -ve 電壓。一旦向柵極端子提供-ve 電壓，電流將減小。隨著柵極電壓變得更負(fù)，電流減小直到截止，然后MOSFET將處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，這會(huì)阻止大的源極漏電流。

因此，一旦向該MOSFET的柵極端子提供了更多的 -ve 電壓，那么該MOSFET將在源極 - 漏極端子上傳導(dǎo)更少和更少的電流。一旦柵極電壓達(dá)到某個(gè) -ve 電壓閾值，它就會(huì)關(guān)閉晶體管。因此，-ve 電壓關(guān)閉晶體管。

許多開(kāi)關(guān)模式電源使用“啟動(dòng)”電路來(lái)初始化其離線操作。這些電路可能是簡(jiǎn)單的電阻器，例如International Rectifier的 IRIS4015，或者是使用雙極晶體管或 MOSFET 構(gòu)建的更復(fù)雜的布置。這些晶體管為反激式或 PFC(功率因數(shù)校正)IC 提供初始電流。當(dāng)這種電源開(kāi)始在正常模式下運(yùn)行時(shí)，來(lái)自專用繞組的電源電壓會(huì)繼續(xù)為 PFC IC 供電，從而降低啟動(dòng)電路的功耗。

這種方案降低了——但不會(huì)消除——啟動(dòng)電路的功耗，因?yàn)橛性丛ǔＪ歉邏弘p極晶體管或高壓增強(qiáng)型 MOSFET。這些晶體管的基極或柵極需要相對(duì)于發(fā)射極或源極進(jìn)行正向偏置才能正常工作。因此，在保持晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)的電路中總是會(huì)發(fā)生功率損耗。不幸的是，工程師對(duì)耗盡型 MOSFET 的關(guān)注太少，因?yàn)樗恍枰蚱眉纯烧９ぷ?，而且需要低于源極的柵極電位。耗盡型 MOSFET 的這些寶貴特性使其適合在電源的無(wú)損耗啟動(dòng)電路中發(fā)揮作用。

顯示了一個(gè)傳統(tǒng)的 PFC 電路，其 IC 最初通過(guò)耗盡型 MOSFET Q 2 (來(lái)自Supertex的 DN2470 )從輸出接收功率。Q 2的源極為 PFC IC 1 提供大約 10 到 15 mA 或更小的初始電源電流，具體取決于 IC 型號(hào)。大約 4 到 6W 的短暫功耗不會(huì)對(duì)焊接到覆銅的 MOSFET 造成損害。如果您擔(dān)心 MOSFET 的健康狀況，可以使用 Ixys 的IXTY02N50D。電阻器 R 3 和 R 4 設(shè)置 Q 2的工作點(diǎn)獲得所需的最小電流。對(duì)于 18V 的輸入電壓，齊納二極管 D 5 將 IC 1兩端的電壓限制在 大約 15V，這對(duì)于大多數(shù) PFC IC 通常是必需的，并且小于 MOSFET Q 2的最大值。

當(dāng)IC 1 開(kāi)始正常工作時(shí)，PFC 電感L 的次級(jí)繞組產(chǎn)生IC 的電源電壓，二極管D 1 和D 3 以及電容器C 1 和C 2 調(diào)節(jié)。晶體管Q 2 在短時(shí)間內(nèi) 持續(xù)為齊納二極管D 5 和IC 1供電。最終，雙極晶體管Q 3 通過(guò)電阻器R 5 從二極管D 2獲得其基極電源，打開(kāi)并將Q 2的柵極鉗位到地。問(wèn)題3的電源是IC 大約15V 的正電源電位，足以關(guān)斷Q 2。10 至 20 μA 的剩余熱電流不會(huì)產(chǎn)生明顯的功率損耗。