【技术】解析耗尽型MOSFET的原理及应用

时间： 2022-04-27 来源：方舟微

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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V_GS=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∣V_GS＜V_GS(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V_DD增加时，流过电路的电流I_DS增加，导致耗尽型MOSFET源极电位V_S升高，即V_GS绝对值∣V_GS∣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R_L两端的电压V_S无限接近器件的关断电压∣V_GS(OFF)∣， V_S≈∣V_GS(OFF)∣，即V_S钳位在∣V_GS(OFF)∣处，不再随输入电压V_DD的增加而变化。负载RL流过的电流I_L（I_L=V_S/R_L）也不随输入电压V_DD的增加而变化。

其中，BV_DSX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，V_o与V_i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V_s：

其中，V_GS（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∣V_GS<V_GS(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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