使用超低电压 MOSFET 阵列进行设计，第一部分EPAD MOSFET器件介绍

在电路设计中追求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，并且可能阻碍了他们将可用电压范围最大化，否则会使新电路获得成功。

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，设计人员要处理的关键限制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。

本文旨在介绍 EPAD MOSFET。它描述了具有精确设置的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，还介绍了新颖的电路设计，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，以及如何实施这些新设备以实现无法实现或极不可能实现的结果。

一般说明

EPAD MOSFET 配对阵列包括单片四/双 N 沟道零阈值模式、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。严格控制阈值电压可在极低的电压和电流下实现可预测的晶体管操作。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范围广泛的设计问题。

该 MOSFET 阵列系列的一个独特成员是零阈值 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毫微功耗小信号电路设计，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不同的工作模式类别，每种模式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，ALD1148xx/ALD1149xx 产品是耗尽型 EPAD MOSFET。

作为基本的电路设计构建块，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性能特征。它们作为广泛模拟应用的设计组件特别通用，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 系列中的一个特例，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与传统 MOSFET 类似的具有急剧关断和极低泄漏特性的极低电压开关。

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 时也像固定电阻器一样工作。栅极上的调制信号电压可以调制漏极电流，甚至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。

在信号以 GND 或 V+ 为参考的电路中，零阈值 MOSFET 可减少或消除输入到输出电压电平偏移。此功能可显着降低输出信号电平与输入电平的偏移，并扩大工作信号范围，尤其是对于极低工作电压环境。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电平下运行。

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。在零施加的栅极电压下，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都会影响电路偏置电压和电流条件。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、可实现的电路类型，以及在某些情况下系统的工作电源电压。阈值电压的精度有利于依靠具有严格设计公差裕度的可重复电气特性进行设计。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。

耗尽型器件

ALD1148xx/ALD1149xx产品为耗尽型EPAD MOSFET，当栅极偏置电压为0.0V时为常导通器件。耗尽模式阈值电压处于 MOSFET 器件关闭时的负电压。提供 –0.40V、-1.30V 和 –3.50V 等负阈值。在没有电源电压且 Vgs = 0.0V 的情况下，这些 EPAD MOSFET 器件已经开启，并在源极和漏极端子之间表现出受控的导通电阻。

ALD1148xx/ALD1149xx 是独一无二的，不同于大多数其他耗尽型 MOSFET 和某些类型的 JFET，因为它们具有严格控制的性能特性，并且不会表现出控制不佳的漏电流和结漏电流。当负信号电压施加到栅极端子时，设计人员/用户可以依赖于 EPAD MOSFET 器件可以在精确电压下进行控制、调制和关闭这一事实。

对于这些器件，导电通道的控制类似于增强型 EPAD MOSFET，只是阈值电压线性偏移固定的负量。这种固定电压偏移已通过 ALD 的 EPAD 技术在制造过程中实现。最终结果是具有严格控制的性能特性的精密阈值电压耗尽型 EPAD MOSFET。

这些耗尽型 EPAD MOSFET 器件可以在栅极电压的控制下以与增强型 EPAD MOSFET 相同的方式进行调制和关断。在阈值电压线性偏移的情况下，栅极控制电压也必须相对于阈值电压偏移相应地偏移，以便开启、调制或关闭特定的耗尽型 EPAD MOSFET 器件。