【技术】解析耗尽型MOSFET的原理及应用
![N沟道Si基耗尽型MOSFET,P沟道耗尽型MOSFET,方舟微](https://www.sekorm.com/front/website/images/sekormContent.jpg)
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近年来,耗尽型MOSFET(Depletion-Mode MOSFET)日益受到重视,广泛应用于固态继电器、“常开”开关、恒流源、恒压源和开关电源等设备中,用户涵盖了智能家居、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。本文中方舟微将为大家解析耗尽型MOSFET的原理及应用。
耗尽型MOSFET分为两种类型:N沟道耗尽型MOSFET,即:导电沟道为N型,参与导电的是电子,以及P沟道耗尽型MOSFET,即:导电沟道为P型,参与导电的是空穴。由于电子的迁移率远高于空穴,N沟道耗尽型MOSFET具有更强的电流处理能力,得到了更广泛地运用。近年随着第三代半导体的发展,开始出现少数1300V以上耐压的Sic基的耗尽型MOSFET,但成熟的产品还是Si基耗尽型MOSFET。以下就N沟道Si基耗尽型MOSFET为例,简要说明其原理和应用。
当栅极-源极电压VGS=0V时,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)∣(P沟道),其导电沟道因沟道中的载流子耗尽而消失,器件处于关断状态。由于在零栅偏时,器件处于导通状态,因此耗尽型器件又称为“常开”(Normally On)器件。图1为N沟道耗尽型MOSFET的示意图。
由于耗尽型MOSFET具有上述特殊的亚阈值特性,利用该特性,可以很方便地建立一个简单的电压调节器,具有高电压调节范围和稳定的电压输出。也可以组成一个稳定的恒流源。同时,这种电压源或电流源具有极佳的抗干扰能力,能有效地抑制瞬态电压或浪涌电流。
如图2所示,当VDD增加时,流过电路的电流IDS增加,导致耗尽型MOSFET源极电位VS升高,即VGS绝对值∣VGS∣增加,并引起器件导电沟道变窄,电流增加减缓。在此过程中负载RL两端的电压VS无限接近器件的关断电压∣VGS(OFF)∣, VS≈∣VGS(OFF)∣,即VS钳位在∣VGS(OFF)∣处,不再随输入电压VDD的增加而变化。 负载RL流过的电流IL(IL=VS/RL)也不随输入电压VDD的增加而变化。
其中,BVDSX为耗尽型MOSFET漏源极之间的击穿电压。
由此可以看出利用耗尽型MOSFET可以组成一个简单稳定的高电压输入的电压调节器或电流源,同时具有极佳的瞬态抑制能力。进一步利用运算放大器或电压基准源,可以很容易实现指定的输出电压。
如图3所示,Vo与Vi具有如下关系:
因此,通过配置R2和R1的组合,可以轻松确定负载的工作电压Vs:
其中,VGS(OFF)为耗尽型MOSFET的关断电压。
在零栅偏时,器件处于导通状态,当栅极-源极电压∣VGS<VGS(OFF)∣时器件处于关断状态,这一特性不仅耗尽型MOSFET具备,耗尽型JFET器件同样具备,两种器件比较如下:Si基JFET器件耐压一般在10V~40V,更高耐压的JFET器件只能用Sic基实现(目前不普及),限制了绝大多数Normally On的应用,而 Si基耗尽型MOSFET可以做到从10V~1700V任意电压的耐压参数。
对于常用的220V市电和380V工业用电,在Normally On应用中,耐压为600V和1000V的这两个系列产品需求广泛,JFET器件无法满足,耗尽型MOSFET是唯一的选择。耗尽型MOSFET与JFET比较优势还在于:由于JFET允许栅极泄漏电流为比MOSFET的栅极泄漏电流高出3个数量级,MOSFET极低的漏电流,大大降低了静态功耗,也就极大地降低整机功耗。其次,JFET的输入阻抗远低于MOSFET输入阻抗,因为MOSFET金属氧化物绝缘体,使得其在栅极端的电阻更高。对于电压驱动的FET器件,输入阻抗越大,对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响,MOSFET比JFET更具备易于驱动、对栅极影响极小的优势。
MOSFET的缺点在于:由于其本身的输入阻抗高,对ESD静电极敏感,而栅-源极间电容又很小,所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电,又因在静电较强的场合难于泄放电荷,容易引起静电击穿。所以,克服耗尽型MOSFET缺点,带防静电功能的ESD保护功能在耗尽型MOSFET的设计和生产中尤为重要,是器件能否正常使用的关键指标。
耗尽型MOSFET具备与JFET相同的电性特点,但各方面性能更优,是未来电路升级换代的首选器件。目前主要制造商有:Infineon、Microchip、IXYS、Onsemi。国内制造商:ARK(方舟微),方舟微专注设计制造耗尽型MOSFET系列产品,耐压从60V~1000V,系列产品均带ESD保护功能,弥补了国外同类产品极少带ESD保护的不足,性能更加稳定可靠,避免对整个电路造成损坏。
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产品型号
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品类
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VTH (V)
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ID (A)
|
RDSON(Ω) Typ.
|
Package
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BVDSS (V)
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RDSON(Ω) Max.
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DMZ6005E
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耗尽型MOSFET
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-3.3~- 1.5
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0.02
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500
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SOT-23
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600
|
700
|
选型表 - 方舟微 立即选型
Wieland(威琅)固态继电器选型指南
描述- 凡涉及无磨损切换的应用场景,都会采用固态继电器。其功率范围从几mA到6A不等。
型号- WB-DA-32-440-40A,WB-AA-250-440-100A-3,WB-AA-250-440-40A,WB-DA-32-440-80A,WB-DA-32-660-60A-H,WB-DA-32-660-100A-H,WB-DA-32-240-02A-B,WB-AA-250-440-20A-3,WB-AA-250-440-120A-3,WB-DA-32-440-100A-H,WB-DA-32-440-100A-M,WB-DA-32-660-120A-H,WB-DD,WB-DA-32-440-25A,WB-DA-32-660-80A-H,WB-DA-32-440-100A,WB-DA-32-440-30A-3,WB-DA-32-240-60A,WB-DA-32-240-100A,WB-DA-32-240-20A,WB-DD-32-60-02A-B,33.280.0213.6,33.280.0217.2,33.280.0213.7,33.280.0217.3,WB-DA-32-440-120A-H,33.280.0213.4,33.280.0217.0,33.280.0213.5,33.280.0217.1,WB-AA-250-440-30A,33.280.0213.2,WB-DD-32-250-40A,33.280.0213.3,33.280.0213.0,33.280.0213.1,WB-AA-250-440-60A-3,WB-DA-32-440-30A,WB-AA-250-440-15A-3,WB-DA-32-440-05A-S,WB-DA,33.280.0229.9,33.280.0229.7,33.280.0229.8,WB-DD-32-250-25A,33.280.0229.5,33.280.0229.6,WB-DA-32-440-30A-M,33.280.0229.3,33.280.0225.7,33.280.0229.4,33.280.0225.8,33.280.0229.1,33.280.0225.5,WB-DD - □ - □ - □ - □,33.280.0229.2,33.280.0225.6,33.280.0221.7,33.280.0225.3,33.280.0221.8,33.280.0229.0,33.280.0225.4,33.280.0202.1,33.280.0221.5,33.280.0225.1,33.280.0202.0,33.280.0221.6,33.280.0225.2,33.280.0221.3,33.280.0221.4,33.280.0225.0,33.280.0221.1,33.280.0221.2,WB-DA - □ - □ - □ - □,WB-DA-32-440-15A,33.280.0221.0,WB-AA-250-440-25A,WB-DA-32-240-01A-B,WB-AA - □ - □ - □ - □,WB-AA-250-440-40A-3,WB-AA-250-440-80A,WB-DA-32-240-10A,WB-DA-32-440-60A,33.280.0212.7,33.280.0216.3,33.280.0212.8,33.280.0212.5,33.280.0216.1,WB-AA-250-440-20A,33.280.0212.6,33.280.0216.2,33.280.0212.3,33.280.0212.4,33.280.0216.0,WB-DD-32-250-30A,WB-AA-250-440-10A-3,WB-DA-32-440-60A-H,33.280.0212.1,WB-AA-250-440-60A,WB-DA-32-440-02A-B,33.280.0212.2,WB-DA-32-440-60A-M,WB-DA-32-440-40A-3,33.280.0212.0,WB-DA-32-440-25A-3,WB-AA,WB-DA-32-440-20A,33.280.0209.6,33.280.0209.5,33.280.0228.8,33.280.0209.7,33.280.0228.9,WB-AA-250-440-100A,33.280.0209.2,33.280.0228.6,WB-DD-32-250-15A,WB-DD-32-60-01A-B,33.280.0209.1,33.280.0228.7,33.280.0209.4,33.280.0228.4,33.280.0209.3,33.280.0228.5,33.280.0205.2,33.280.0228.2,33.280.0205.1,33.280.0228.3,WB-DA-32-240-25A,33.280.0209.0,33.280.0228.0,33.280.0228.1,33.280.0201.1,33.280.0205.0,WB-DA-32-440-80A-H,WB-DA-32-440-20A-3,33.280.0201.0,WB-DA-32-440-25A-M,WB-DA-32-440-80A-M,WB-AA-250-440-15A,WB-AA-250-440-80A-3,WB-DA-32-440-10A-S,WB-DA-32-240-80A,WB-DA-32-440-10A-M,WB-DA-32-240-40A,WB-DA-32-440-120A-3,33.280.0213.8,WB-AA-250-440-10A,WB-DD-32-250-60A,WB-DD-32-250-20A,WB-AA-250-440-25A-3,WB-DA-32-440-20A-M,WB-DD-32-60-100A,WB-DA-32-440-10A,WB-DA-32-440-80A-3,WB-DA-32-440-10A-3,WB-DA-32-440-100A-3,WB-DA-32-440-15A-S,WB-DA-32-440-15A-M,WB-AA-250-440-30A-3,WB-DA-32-240-15A,33.280.0200.1,33.280.0200.0,WB-DA-32-440-40A-M,WB-DA-32-440-60A-3,WB-DA-32-440-01A-B,WB-DD-32-250-10A,WB-DA-32-240-30A,WB-DA-32-440-15A-3
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