Nederlands
Menu

Enhancement- versus depletion-MOSFET: Vth, symbool en toepassingen

Een enhancement-MOSFET heeft geen kanaal wanneer de gatespanning 0 V is; pas als er een spanning op de gate wordt gezet en een inversielaag ontstaat, loopt er stroom (normally-off). Een depletion-MOSFET heeft al een kanaal, zodat er ook bij 0 V op de gate stroom loopt; de stroom stopt pas als een tegengestelde spanning op de gate het kanaal laat verdwijnen (normally-on). Bij een n-kanaal is de drempelspanning positief voor het enhancement-type en negatief voor het depletion-type. Voor vrijwel alle toepassingen, te beginnen met CMOS-logica, wordt het enhancement-type gebruikt.

KenmerkEnhancement-typeDepletion-type
Bij 0 V op de gateGeen kanaal, uit (normally-off)Kanaal aanwezig, aan (normally-on)
Teken van de drempelspanning (n-kanaal)PositiefNegatief
Teken van de drempelspanning (p-kanaal)NegatiefPositief
Hoe het kanaal ontstaatDe gatespanning induceert een inversielaag aan het substraatoppervlakVooraf wordt met onder meer ionenimplantatie een dunne kanaallaag aan het oppervlak gemaakt
Stroom onderbreken (n-kanaal)De gatespanning onder de drempel brengen (0 V volstaat)Een negatieve spanning op de gate zetten om het kanaal te verarmen (depletie)
Herkomst van de naamDe gatespanning versterkt het kanaal (enhance)De gatespanning verarmt het kanaal (deplete)
SchemasymboolKanaallijn als stippellijn in drie delenKanaallijn als één doorgetrokken lijn
Als de aansturing uitvaltSchakelt uit, dus veiligKan aan gaan, dus opletten voor kortsluiting en dergelijke
Belangrijkste toepassingenVrijwel alle toepassingen: CMOS-logica, vermogens-MOSFET's, analoge schakelingen enz.Belastingselementen in vroege NMOS-logica, constantestroombronnen, opstartschakelingen van voedingen enz.

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Enhancement-type
In vrijwel alle gevallen. Met 0 V op de gate schakelt het betrouwbaar uit, dus wordt het gebruikt als schakelaar in logica en als vermogensschakelaar die veilig uit moet kunnen.
Depletion-type
Wanneer stroom moet lopen zonder gatespanning. Een belastingselement in plaats van een weerstand, een eenvoudige constantestroombron met gate en source verbonden, een opstartschakeling die al werkt voordat de voeding opkomt enz.
Bij gebruik van normally-on-componenten
Componenten die van nature normally-on zijn, zoals GaN-HEMT's, worden als normally-off gebruikt door een aangepaste gatestructuur of door een cascodeschakeling met een laagspannings-silicium-MOSFET in serie.

Veelgestelde vragen

Waarom wordt bij vermogenstoepassingen normally-off vereist?

Omdat een normally-on-component aan gaat als de voeding van de gatedriver wegvalt of de driver defect raakt, met het risico dat de voeding wordt kortgesloten en er een grote stroom loopt. Een enhancement-type is veilig, omdat het bij 0 V op de gate uit staat.

In welke schakelingen werd het depletion-type gebruikt?

In NMOS-logica, vóór CMOS de standaard werd, diende een depletion-type met verbonden gate en source als belastingselement in plaats van een weerstand. Ook nu wordt het gebruikt in eenvoudige constantestroombronnen en opstartschakelingen van voedingen.

Hoe herken je ze aan het schemasymbool?

Aan de lijn die het kanaal voorstelt. Bij het enhancement-type wordt die als stippellijn in drie delen getekend, om aan te geven dat er zonder gatespanning geen kanaal is. Bij het depletion-type is het kanaal er vanaf het begin, dus wordt één doorgetrokken lijn getekend.

Kun je ze aan de waarde van de drempelspanning herkennen?

Ja. Bij een n-kanaal is een positieve drempelspanning een enhancement-type en een negatieve een depletion-type. Bij een p-kanaal is het teken omgekeerd: negatief is enhancement-type, positief is depletion-type.

Test uw begrip

Welke eigenschap van een depletion-type MOSFET is juist?

  1. AHeeft geen gate
  2. BHet kanaal bestaat ook bij een gatespanning van 0 V en er loopt stroom
  3. CEr loopt geen stroom, ook niet bij een gatespanning hoger dan de drempelspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het kanaal bestaat ook bij een gatespanning van 0 V en er loopt stroom

Een depletion-type is een MOSFET waarvan het kanaal vooraf bestaat en waarin ook bij een gatespanning van 0 V stroom loopt (normally-on). Bij een n-kanaal wordt het kanaal met een negatieve gatespanning weggenomen en de stroom gestopt. Het werd gebruikt als belastingselement in vroege NMOS-logica. Omdat het ook geleidt wanneer de voeding wegvalt, is voor veiligheid aandacht nodig; ook GaN-HEMT's zijn van nature normally-on, zodat structuurkunstgrepen worden toegepast om ze normally-off te maken.

Welke voorwaarde is juist om een n-kanaal MOSFET van het enhancement-type aan (geleidend) te laten staan? (VGS: gate-sourcespanning, Vth: drempelspanning)

  1. AVGS is 0 V
  2. BVGS is groter dan Vth
  3. CVGS is een negatieve spanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. VGS is groter dan Vth

Bij een enhancement-nMOSFET worden, wanneer een positieve spanning groter dan Vth op de gate wordt gezet, elektronen naar het oppervlak van het p-type substraat getrokken en ontstaat een inversielaag (kanaal), zodat stroom tussen source en drain loopt. Bij VGS = 0 V is er geen kanaal en is de transistor uit, dus ook bij een zwevende gate loopt nauwelijks stroom (normally-off), wat veilig is voor logische schakelingen en vermogenstoepassingen. Vth is in geavanceerde logica gewoonlijk 0,2 tot 0,4 V en bij vermogenscomponenten ongeveer 1 tot 4 V.

Wat is het teken van de drempelspanning (met de source als referentie) van een enhancement-type p-kanaal MOSFET?

  1. APositieve waarde
  2. BNegatieve waarde
  3. CAltijd 0 V
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Negatieve waarde

Bij een pMOS ontstaat, als op de gate een spanning lager dan die van de source wordt gezet, een inversielaag van gaten aan het oppervlak van het n-type substraat (n-well) en gaat de transistor aan. De drempelspanning van een enhancement-pMOS is daarom een negatieve waarde (bijvoorbeeld −0,4 V). In schakelingen wordt aangenomen dat de transistor aan gaat als de source op de voeding VDD is aangesloten en de gate minstens |Vth| lager dan VDD wordt gezet. In ontwerpdocumenten wordt, om tekenverwarring te vermijden, vaak met de absolute waarde |Vth| vergeleken.

  1. Wat is de belangrijkste reden dat bij vermogenscomponenten de “normally-off”-eigenschap, waarbij geen stroom vloeit bij een gatespanning van 0 V, vereist is?
  2. Met welke schakeling wordt een normally-on GaN-HEMT in serie met een laagspannings-silicium-MOSFET veilig als normally-off component gebruikt?

Oefenvragen over MOSFET

Belangrijke termen uitgelegd

Drempelspanning (threshold voltage)
De gatespanning waarbij in een MOSFET het kanaal (inversielaag) ontstaat en er stroom begint te lopen. Genoteerd als Vth.
Normally-off
Eigenschap dat er geen stroom loopt wanneer de gatespanning 0 V is. Voor vermogenscomponenten een veiligheidseis, omdat de stroom ook bij een defecte aansturing niet blijft lopen.
Inversielaag
Laag die ontstaat doordat ladingdragers van het tegengestelde type aan het halfgeleideroppervlak samenkomen onder invloed van de gatespanning. Vormt het kanaal van een MOSFET.

Verwante vergelijkingen