一文剖析MOSFET家族：增强型与耗尽型器件的特性与应用
MOS器件家族分为增强型（Enhancement Mode）和耗尽型（Depletion Mode）两大类。自上世纪七十年代以来，增强型器件得到了广泛的研究与开发，成为主流的器件种类。但是，耗尽型器件具有一些独特的性能，在实现一些电路拓扑中具有无可比拟的优势。近年来，耗尽型器件日益受到重视，广泛应用于固态继电器、“常开”开关、线形运放、恒流源、恒压源和开关电源等，涵盖了家用电器、消费电子、工业控制、汽车电子、电信设施和航空航天等领域。
MOSFET家族
如图1所示，MOSFET器件分为增强型和耗尽型两大类。
图1. MOSFET家族树
增强型器件：当栅极-源极电压VGS=0V，其导电沟道尚未形成，器件处于关断状态。当栅极-源极电压VGS>(+)VTH时（N沟道）或VGS<(-)VTH（P沟道），其导电沟道因反型而形成，器件处于开通状态。由于在零偏时，器件处于关断状态，增强型器件又称为“常关”（Normally Off）器件。
耗尽型器件：当栅极-源极电压VGS=0V，其导电沟道即已存在，器件处于开通状态。当栅极-源极电压VGS<(-)VGS(OFF)时（N沟道）或VGS>(+)VGS(OFF)（P沟道），其导电沟道因耗尽而消失，器件处于关断状态。由于在零偏时，器件处于导通状态，耗尽型器件又称为“常开”（Normally On）器件。
由此可见，增强型器件和耗尽型器件最主要的差别是阈值电压。以ARK公司的150V, N沟道增强型MOS管器件FTP0P1N15G为例，其阈值电压（也称作开启电压，表示为VGS(TH)）VGS(TH)(Min.)为+2.5V；耗尽型MOS管的阈值电压（也称作关断电压，表示为VGS(OFF)）为负值，以ARK公司的850V, N沟道耗尽型MOS管DMS8550E为例，阈值电压在-4V~-1.2V，其电阻RDS(ON)(Typ.)为45Ω，。图2示意性地给出了两种器件的转移特性曲线。可以看出，当VDS=5V且VGS=0V时，增强型器件处于关断状态，其漏-源泄漏电流IDSS=0mA，而耗尽型器件处于导通状态，其漏-源电流IDSS=45mA。
图2. 增强型和耗尽型MOS管的转移特性曲线
增强型和耗尽型器件均有横向结构（Lateral Structure）和垂直结构（Vertical Structure）两种，如图3所示。
图3. 横向结构器件和垂直结构器件
横向结构：漏极位于芯片表面，电流在芯片表面横向流动，如图3(a)所示。横向结构易于集成，其密勒电容较小，可以实现更高的频率。
垂直结构：漏极位于芯片背面，电流在芯片内部垂直流动，如图3(b)所示。垂直结构充分利用了芯片面积，单位面积的导通电阻更小，具有更高的电流密度，因此非常适用于功率器件。ARK公司的耗尽型MOS管DMS8550E即采用了此种结构。
增强型和耗尽型器件按沟道导电类型分，又可分为N沟道和P沟道器件。
N沟道器件：导电沟道为N型，参与导电的主要是电子；
P沟道器件：导电沟道为P型，参与导电的主要是空穴。
由于电子的迁移率远高于空穴，N沟道器件具有更强的电流处理能力，得到了更广泛地运用。
图4. E/D NMOS反相器电路
耗尽型MOS管并不是一个新鲜的事物。早在1970年代，作为E/D NMOS反相器电路中的耗尽型负载管，耗尽型MOS管在逻辑电路中得到了广泛的应用，如图4所示。1979年出现的高性能16K SRAM仍然采用了这样一种E/D NMOS结构。1970年代末，随着更具优势的CMOS电路的出现，E/D NMOS逐渐退出历史舞台。
1980年代以来电力电子技术兴起，功率MOS管开始得到广泛的应用。增强型功率MOS管作为主流的开关器件，占据了绝大部分市场份额。耗尽型功率MOS管作为一种特种器件，在实现一些电路拓扑中具有无可比拟的优势，广泛应用于固态继电器、“常开”开关、线形运放、恒流源、恒压源和开关电源等。由于需要较强的功率处理能力，耗尽型功率MOS管以垂直N沟道器件为主。耗尽型MOS管在固态继电器中的典型应用如图5所示。
图5. 固态继电器中的耗尽型MOS管
图6. 耗尽型MOS管实现零偏置放大器
近年来，随着系统电源电压的降低和绿色能源计划的实施，系统的功耗设计正面临着更加严苛的要求。耗尽型MOS管由于其独特的性能，其应用的广度和深度都在不断地拓展。利用耗尽型MOS管，可以方便地实现零偏置放大器。如图6所示，当VGS=0V时，耗尽型MOS管导通且工作于饱和放大区。该放大器不需要偏置电路，简化了电路设计，降低了系统成本，还完全消除了偏置电路的功耗。
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|
产品型号
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品类
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BVDSS (V)
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RDSON(Ω) Typ.
|
ID (A)
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VGS (V)
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Package
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|
DMZ1511NE
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耗尽型MOSFET
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150
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10~25
|
0.1
|
-3.3~-1.5
|
SOT-23
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选型表 - 方舟微 立即选型
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