使用超低压 MOSFET 阵列进行电路设计-“零阈值”模式设备

寻求在电路设计中实现更低的工作电压和更低的功耗水平是一种趋势，这给电气工程师带来了艰巨的挑战，因为他们遇到了基本半导体器件特性对他们施加的限制。长期以来，工程师们一直将这些特性视为基本特性，并可能阻止他们最大限度地扩大可用电压范围，否则会使新电路取得成功。

现在，随着具有电可编程阈值 (EPAD) 的 MOSFET 匹配对阵列的推出，模拟设计人员有了新的选择。通常，设计人员处理的关键约束之一是基本晶体管级的栅极阈值电压。EPAD MOSFET 阵列引入的范例是现在可以精确控制栅极阈值电平，因此模拟设计人员现在可以摆脱以前限制设计解决方案的一些限制。

本文是对 EPAD MOSFET 的介绍。它描述了具有精确设置栅极阈值电压值的器件——包括零阈值模式、增强模式和耗尽模式。此外，还提出了新颖的电路设计，以说明如何在实际水平上使用这些设备。所提供的简短电路描述旨在激发思考电路设计的新方法，以及如何实现这些新设备以实现无法实现或极不可能的结果。

一般说明

EPAD MOSFET 匹配对阵列包括单片四/双 N 通道零阈值模式、增强模式和耗尽模式器件。这些 MOSFET 在出厂时已精确匹配。该产品系列提供严格控制的阈值电压，范围从 +1.40V 的增强模式值到 0.00V 的零阈值，再到 –3.50V 的耗尽值。阈值电压的严格控制使晶体管能够在非常低的电压和电流下进行可预测的操作。由于其独特的特性，这些 MOSFET 可以解决以前没有实际解决方案的各种设计问题。

该 MOSFET 阵列系列的独特成员是零阈值 MOSFET。该器件与该产品系列的其他极低阈值电压成员一起构成了一类 MOSFET 器件，可实现超低电源电压操作和纳米功率小信号电路设计，适用于模拟或数字电路。在某些情况下，可以实现依赖于单个超低电压和低功率电源的电路。

该产品系列提供三种独立的操作模式类别，每种都提供一组截然不同的设备电气规格和特性。ALD110800/ALD110900 产品是零阈值模式 EPAD MOSFET。ALD1108xx/ALD1109xx 产品是增强型 EPAD MOSFET，而 ALD1148xx/ALD1149xx 产品是耗尽型 EPAD MOSFET。

作为基本的电路设计构建模块，该产品系列的每个成员都可以以多种方式应用。每个产品类别都可以实现电路设计的不同应用，并可能导致截然不同的终端电路及其相关的性能特征。它们特别适用于各种模拟应用的设计组件，包括电流源和电流镜、差分放大器输入级、传输门和多路复用器。

“零阈值”模式设备

零阈值 MOSFET 是 EPAD MOSFET 系列中的一种特殊情况，其中每个 MOSFET 的单独阈值电压固定为零。这些器件的独特之处在于使用电气阈值设置来提供非常低的电压开关，具有与传统 MOSFET 相似的急剧关断和非常低的泄漏特性。

当栅极电压 Vgs=0.00V 时，零阈值电压定义为 Ids =1μA @ Vds=0.1V。从技术上讲，这些零阈值器件在高于阈值电压和电流水平(>0.0V 和 >1μA)时是增强型器件。但是，它也可以用作常开 MOSFET，因为该器件正在传导电流，并且即使在栅极电压为 0.0V 时也会像固定电阻器一样工作。栅极处的调制信号电压可以调制漏极电流，甚至可以调制到负栅极电压电平，降至约 –0.4V 的亚阈值电压电平，此时晶体管完全关闭。

零阈值 MOSFET 减少或消除了信号以 GND 或 V+ 为参考的电路中的输入到输出电压电平偏移。此功能可以显着降低输出信号电平相对于输入电平的偏移，并扩大工作信号范围，尤其是在工作电压极低的环境中。使用零阈值器件，可以构建具有多级的模拟电路，以在极低的电源或偏置电压水平下运行。

增强模式设备

ALD1108xx/ALD1109xx 产品是增强型 EPAD MOSFET 器件，需要正偏置电压才能开启。+1.50V、+0.80V、+0.20V 等精密阈值作为标准产品提供。在施加的栅极电压为零时，源极和漏极之间不存在导电沟道。每个产品的阈值电压电平对电路偏置电压和电流条件都有影响。不同产品成员的选择会影响确定输入或输出信号电平所需的设计技术、可以实现的电路类型，在某些情况下还会影响系统的工作电源电压。阈值电压的精度有助于依靠具有严格设计容差裕度的可重复电气特性的设计。这种精确的阈值电压特性使设计能够简化或降低设计以及后续电路阶段的电路复杂性。在某些情况下，电源电压和电源电流也可以大大降低。