P沟道MOSFET的基本概念及主要类型

MOSFET是一种三端、电压控制、高输入阻抗和单极器件，是不同电子电路中必不可少的元件。一般来说，这些器件根据其默认状态下是否有相应的通道，分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET两类。

同样，增强型MOSFET分为P沟道增强型和N沟道增强型，耗尽型MOSFET分为P沟道耗尽型和N沟道耗尽型。在本文中，小编将介绍其中一种类型的MOSFET，即P沟道MOSFET。

基本概念

沟道由大多数电荷载流子作为空穴组成的一种MOSFET称为P沟道MOSFET。一旦这个MOSFET被激活，那么大多数电荷载流子(如空穴)将在整个通道中移动。

P沟道MOSFET与N沟道MOSFET不同，因为在N MOSFET中，大部分电荷载流子是电子。增强模式和耗尽模式下的P沟道MOSFET符号如下图所示：

P沟道MOSFET包括一个P沟道区域，该区域布置在两个端子之间，如源极 (S) 和漏极 (D) 并且主体为N区域。与N沟道MOSFET类似，这种类型的MOSFET也包括源极、漏极和栅极三个端子。其中，源极和漏极都用P型材料重掺杂，并且P沟道MOSFET中使用的衬底类型是N型。

工作原理

P沟道MOSFET中的大多数电荷载流子是空穴，与N沟道MOSFET中使用的电子相比，这些电荷载流子的迁移率较低。P沟道和N沟道MOSFET之间的主要区别在于，在P沟道中，需要从Vgs(栅极端子到源极)的负电压来激活MOSFET，而在N沟道中，它需要正VGS电压。因此，这使得P沟道型MOSFET成为高端开关的完美选择。

每当在P沟道MOSFET的栅极端施加负 (-) 电压时，氧化物层下方可用的电荷载流子(如电子)就会被向下推入衬底，空穴占据的耗尽区与施主原子相连。因此，负 (-) 栅极电压会将空穴从漏极区域和p+源极吸引到沟道区域。

主要类型

目前有两种类型的P沟道MOSFET可用，即P沟道增强型MOSFET和P沟道耗尽型MOSFET。

1、P沟道增强型MOSFET

P沟道增强型MOSFET采用轻掺杂N衬底进行简单设计。在这里，两种重掺杂的P型材料通过一定沟道长度分开，薄二氧化硅层沉积在通常称为介电层的基板上。在P沟道增强型MOSFET中，两种P型材料形成源极 (S) 和漏极 (D)，铝用作电介质上的镀层以形成栅极 (G) 端子。其中，MOSFET的源极和主体简单地连接到 GND。

当向栅极 (G) 端子施加负电压时，由于电容效应，电荷的+ve浓度将稳定在介电层下方。由于排斥力，在N衬底上可用的电子将被移动。

当在漏极端子施加负电压时，漏极区域内的负电压减小，栅极和漏极之间的电压差减小，因此，导电沟道宽度向漏极区域减小，电流从源极供应到漏极。

MOSFET内形成的沟道对从源极到漏极的电流提供阻力，并且沟通的横截面取决于施加在栅极端子上的负电压。因此，从源极流向漏极的电流可以通过施加在栅极端子上的电压来控制，所以MOSFET被称为电压控制器件。当空穴浓度形成沟道时，由于负栅极电压的增加，整个沟道的电流得到改善，因此这被称为 P沟道增强型MOSFET。

2、P沟道耗尽型MOSFET

P沟道耗尽型MOSFET结构与N沟道耗尽型MOSFET相反。由于其中存在可用的P型杂质，因此该MOSFET中的通道是预先构建的。一旦在栅极端施加负 (-) 电压，N型中的少数电荷载流子(如电子)就会被吸引到P型沟道。在这种情况下，一旦漏极反向偏置，则器件开始导通，尽管当漏极内的负电压增强时，会导致耗尽层形成。

该区域主要取决于由于空穴而形成的层浓度。耗尽层的区域宽度会影响沟道的电导率值。因此，通过该区域电压值的变化，电流的流动得到控制。最后，栅极和漏极将保持负极性，而源极保持在“0”值。

应用电路

用于控制电机的互补MOSFET开关电路如下所示。该开关电路使用两个MOSFET(如P通道和N通道)来双向控制电机。在该电路中，这两个MOSFET通过连接在公共漏极和参考GND之间的电机，使用双电源简单地连接以生成双向开关。

一旦输入电压为低，则连接在电路中的P沟道 MOSFET将被打开，而N沟道MOSFET将被关闭，因为其栅极到源极结为负偏置，因此电路中的电机朝一个方向转动。此处，电机通过使用+VDD电源轨运行。

类似地，当输入为高电平时，N沟道MOSFET导通而P沟道器件关断，因为其栅极到源极结为正偏置。现在电机反向转动，因为当通过-VDD电源轨供电时，电机的端子电压已经反转。

之后，对于电机的正向，P沟道型MOSFET用于切换电机的+ve电源，而对于反向，N沟道MOSFET用于将-ve电源切换到电机马达。

当两个MOSFET都关闭时，电机将停止工作。

当MOSFET1开启时，MOSFET2关闭，然后电机正向运行。

当MOSFET1关闭时，MOSFET2开启，然后电机反向运行。

测试方法

可以使用数字万用表按照以下步骤对P沟道MOSFET进行测试。

首先，需要将万用表设置为二极管量程。

将MOSFET放在任何木桌上，使其印刷面朝向自己。

通过使用数字万用表的探针，将MOSFET的漏极和栅极短接，首先让器件内部的电容放电，在MOSFET的测试过程中是非常必要的。

现在将万用表的红色探针放在源极端子上，将黑色探针放在漏极端子上。

这时候将在万用表显示屏上获得开路读数。

之后，在不改变MOSFET源极端子的红色探针的情况下，从漏极端子取下黑色探针并将其放在MOSFET的栅极端子上几秒钟，然后将其放回MOSFET 的漏极端子。

此时，万用表会在万用表显示屏上显示低值或连续值。

通过上述步骤，将验证MOSFET是否正常且没有任何问题。任何其它类型的读数都将表示是有缺陷的MOSFET。

故障模式

即使有良好的设计、最好的组件和新的电机，MOSFET故障也会经常发生，原因多种多样。通常情况下，MOSFET非常坚固——但是，由于超出额定值，它们可能会很快失效。这里将简单介绍MOSFET的一些主要故障模式以及如何避免它们。

找出MOSFET内部发生的故障是非常困难的，因为不知道究竟是哪里发生了什么故障。在这里，简单列出了MOSFET中发生的一些常见故障模式。

每当通过MOSFET提供高电流时，它就会变热。散热不良也会因极端温度而损坏MOSFET。

电池故障

雪崩失败

dV/dt故障

电机阻塞或卡住

快速加速或减速

功耗过大

过电流

负载短路

卡有异物

主要特点

P沟道MOSFET的主要特点包括：

它是电压控制器件

具有高输入阻抗值

在P沟道中，沟道的导电性是由于栅极端的负极性。

与N沟道相比，P沟道MOSFET特性基本都差不多，但唯一的区别是极性不同，因为这衬底值是不一样的。

优缺点

P沟道MOSFET的优点包括以下几点内容：

设计非常简单，因此适用于空间受限的地方，例如低压驱动器和非隔离POL应用。

这是高端开关位置内的简化栅极驱动方法，可以降低总体成本。

在低电压下工作时，MOSFET提供的效率更高。

与JFET相比，MOSFET具有高输入阻抗。

由于沟道电阻较小，它们具有较高的漏极电阻。

制造起来非常简单。

与JFET相比，它支持高速操作。

P沟道MOSFET的缺点包括以下几点内容：

MOSFET的薄氧化层会使其在受到静电荷感应时容易受到损坏。

当使用高电压时，可能会导致不稳定。

总结

简单来说，P沟道MOSFET就是沟道由大多数电荷载流子作为空穴组成的一种类型MOSFET。由于P沟道MOSFET的空穴迁移率低，因而在几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，P沟道MOSFET的跨导小于N沟道MOSFET。此外，P沟道MOSFET阈值电压的绝对值一般偏高，所以要求有较高的工作电压。