MOSFET原理功率MOS及其應用

MOSFET原理介紹與應用1整理課件內容概述原理介紹低頻小信號放大電路功率MOSFET應用2整理課件概述MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor〕金屬-氧化層-半導體-場效應晶體管

它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優(yōu)點具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點。在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到廣泛的應用。電壓控制電流型器件（電壓產生的電場）單極型器件（只有一種載流子，N：電子，P：空穴）3整理課件耗盡型增強型P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結型耗盡型：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道場效應管的分類：從半導體導電溝道類型上分從有無原始導電溝道上分從結構上分MOSFET絕緣柵型(IGFET)4整理課件1原理介紹增強型MOS場效應管耗盡型MOS場效應管MOS場效應管分類1MOS場效應管5整理課件MOS場效應管N溝道增強型的MOS管P溝道增強型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管1MOS場效應管6整理課件一、N溝道增強型MOS場效應管結構增強型MOS場效應管漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E絕緣柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導體因此稱之為MOS管1MOS場效應管動畫五7整理課件當VGS較小時，雖然在P型襯底外表形成一層耗盡層，但負離子不能導電。當VGS=VT時,在P型襯底外表形成一層電子層，形成N型導電溝道，在VDS的作用下形成iD。二、N溝道增強型MOS場效應管工作原理增強型MOS管VDSiD++--++--++++----VGS反型層

當VGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的PN結，無論VDS之間加什么電壓都不會在D、S間形成電流iD,即iD≈0.

當VGS>VT時,溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進一步增加。開始時無導電溝道，當在VGSVT時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管動畫六一方面MOSFET是利用柵源電壓的大小，來改變半導體外表感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。8整理課件

當VGS＞VT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS的不同變化對導電溝道和漏極電流ID的影響。VDS=VDG＋VGS

=－VGD＋VGS

VGD=VGS－VDS當VDS為0或較小時，相當VGD＞VT,此時VDS根本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在VDS作用下形成ID增強型MOS管1MOS場效應管另一方面，漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用9整理課件當VDS增加到使VGD=VT時，當VDS增加到VGD

VT時，增強型MOS管這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。此時的漏極電流ID根本飽和。此時預夾斷區(qū)域加長，伸向S極。VDS增加的局部根本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID根本趨于不變。1MOS場效應管另一方面，漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VGD=VGS－VDS10整理課件三、N溝道增強型MOS場效應管特性曲線增強型MOS管iD=f(vGS)

vDS=C

轉移特性曲線iD=f(vDS)

vGS=C輸出特性曲線vDS(V)iD(mA)當vGS變化時，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時，iD根本不隨vDS變化而變化。vGS/V11整理課件一、N溝道耗盡型MOS場效應管結構耗盡型MOS場效應管+++++++

耗盡型MOS管存在原始導電溝道1MOS場效應管12整理課件耗盡型MOS管二、N溝道耗盡型MOS場效應管工作原理

當VGS=0時，VDS加正向電壓，產生漏極電流iD,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當VGS＞0時,將使iD進一步增加。當VGS＜0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對應iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。VGS(V)iD(mA)VP1MOS場效應管N溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS>0N溝道增強型MOS管只能工作在VGS>013整理課件耗盡型MOS管三、N溝道耗盡型MOS場效應管特性曲線輸出特性曲線1MOS場效應管VGS(V)iD(mA)VP轉移特性曲線14整理課件各類絕緣柵場效應三極管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型1MOS場效應管15整理課件絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型1MOS場效應管16整理課件場效應管的主要參數(shù)2.夾斷電壓VP：是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VP時,漏極電流為零。3.飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應三極管當VGS=0時所對應的漏極電流。1.開啟電壓VT：MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。1MOS場效應管4.直流輸入電阻RGS:柵源間所加的恒定電壓VGS與流過柵極電流IGS之比。結型:大于107Ω，絕緣柵:109～1015Ω。5.漏源擊穿電壓V(BR)DS:使ID開始劇增時的VDS。6.柵源擊穿電壓V(BR)

GSJFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓17整理課件7.低頻跨導gm

：反映了柵源壓對漏極電流的控制作用。1MOS場效應管8.輸出電阻rds9.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容

Csd—源極與漏極間電容18整理課件2場效應管放大電路場效應管偏置電路三種根本放大電路2場效應管放大電路FET小信號模型19整理課件為什么要設定一個靜態(tài)工作點無靜態(tài)工作點，小信號加到柵源端，管子不工作靜態(tài)管工作點設在輸入曲線接近直線段中點小信號模型參數(shù)與靜態(tài)工作點有關如果靜態(tài)工作點設置在此處，信號放大后失真嚴重，并且信號稍大就會局部進入截止區(qū)2場效應管放大電路20整理課件一、場效應管偏置電路1、自給偏置電路場效應管偏置電路的關鍵是如何提供柵源控制電壓UGS自給偏置電路：適合結型場效應管和耗盡型MOS管外加偏置電路：適合增強型MOS管UGS=UG-US=-ISRS≈-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自給偏置電路2場效應管放大電路RS的作用：1.提供柵源直流偏壓。2.提供直流負反響，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。RS越大，工作點越穩(wěn)定。21整理課件偏置電路改進型自給偏置電路大電阻〔M)，減小R1、R2對放大電路輸入電阻的影響UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)2場效應管放大電路1、自給偏置電路R1R2提供一個正偏柵壓UG22整理課件偏置電路2、外加偏置電路-IDRSR1和R2提供一個固定柵壓UGS=UG-US注：要求UG>US，才能提供一個正偏壓，增強型管子才能正常工作2場效應管放大電路23整理課件二、場效應管的低頻小信號模型

iD由輸出特性：iD=f(vGS,vDS)2場效應管放大電路SDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs24整理課件三、三種根本放大電路1、共源放大電路〔1〕直流分析UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)2場效應管放大電路25整理課件根本放大電路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUiUo未接Cs時一般rds較大可忽略=-gmUgsR'DUgs+gmUgsRs=-gmR'D1+gmRsR'D=RD//RL〔2〕動態(tài)分析Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo≈RDRiRo26整理課件根本放大電路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接Cs時=-gmR'D1+gmRsRiRi=RG+(R1//R2)≈RGRoRo≈RD接入Cs時AU=-gm(rds//RD//RL)Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo=RD//rds≈RDRs的作用是提供直流柵源電壓、引入直流負反響來穩(wěn)定工作點。但它對交流也起負反響作用，使放大倍數(shù)降低。接入CS可以消除RS對交流的負反響作用。27整理課件ri根本放大電路2、共漏放大電路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSD=gmUgsR'SUgs+gmUgsR's=gmR'S1+gmR'sR'S=rds//RS//RL≈RS//RL<1gmR'S>>1AU≈1ri=RGUgs+-電壓增益輸入電阻2場效應管放大電路28整理課件根本放大電路輸出電阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+--gmUgsUgs=-Uo=Uo(1/Rs+gm)=gmR'S1+gmR's電壓增益ri=RG輸入電阻2場效應管放大電路2、共漏放大電路29整理課件根本放大電路3、共柵放大電路SGDrdsgmUgsSGD電壓增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo=-IdR'DUgs=-UiId=-gmUi+(-IdR'D-Ui)/rds當rds>>R'D時AU≈gmR'Dr'i輸入電阻r'i

=Ui/Idrds>>R'Dgmrds>>1r'i

≈1/gmriri≈Rs//1/gm2場效應管放大電路30整理課件根本放大電路電壓增益AU≈gmR'D輸入電阻r'i≈1/gmri≈Rs//1/gmSGDrdsgmUgs輸出電阻ror'o=rdsro=rds//RD≈RD電壓增益高，輸入電阻很低，輸出電阻高，輸出電壓與輸入電壓同相2場效應管放大電路3、共柵放大電路31整理課件組態(tài)對應關系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：2場效應管放大電路三種根本放大電路的性能比較32整理課件輸出電阻：BJTFET輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：2場效應管放大電路三種根本放大電路的性能比較33整理課件功率MOSFET結構功率MOSFET開關過程功率損耗驅動電路參數(shù)34整理課件功率MOS結構橫向通道型：指Drain、Gate、Source的終端均在硅晶圓的外表，這樣有利于集成，但是很難獲得很高的額定功率。這是因為Source與Drain間的距離必須足夠大以保證有較高的耐壓值。垂直通道型：指Drain和Source的終端置在晶圓的相對面，這樣設計Source的應用空間會更多。當Source與Drain間的距離減小，額定的Ids就會增加，同時也會增加額定電壓值。垂直通道型又可分為：VMOS、DMOS、UMOS.35整理課件a、在gate區(qū)有一個V型凹槽，這種設計會有制造上的穩(wěn)定問題，同時，在V型槽的尖端也會產生很高的電場，因此VMOS元件的結構逐漸被DMOS元件的結構所取代。C、在gate區(qū)有一個U型槽。與VMOS和DMOS相比，這種設計會有很高的通道濃度，可以減小導通電阻。b、雙擴散36整理課件寄生三極管：MOS內部N+區(qū)，P-body區(qū)，N-區(qū)構成寄生三極管，當BJT開啟時擊穿電壓由BVCBO變成BVCEO〔只有BVCBO的50%到60%〕，這種情況下，當漏極電壓超過BVCEO時，MOS雪崩擊穿，如果沒有外部的漏極電流限制，MOS將被二次擊穿破壞，所以，要鍍一層金屬來短接N+區(qū)和P-body區(qū)，以防止寄生BJT的開啟。在高速開關狀態(tài)，B、E間會產生電壓差，BJT可能開啟。寄生二極管：源極與襯底短接，形成寄生二極管〔體二極管〕37整理課件MOSFET開關過程等效電路輸入電容：CiSS=CGS+CGD輸出電容：COSS=CGD+CDS反向傳輸電容：CrSS=CGD

上述電容值在開關過程會發(fā)生變化，CGD受開關過程的影響和他本身的變化對開關過程的影響都最為顯著。CGDVDSVDS=VGS38整理課件MOSFET導通過程39整理課件4個過程充電等效電路40整理課件t0～t1：t0時刻給功率MOSFET加上理想開通驅動信號，柵極電壓從0上升到門限電壓VGS(th)，MOSFET上的電壓電流都不變化，CGD很小且保持不變。t1～t2：MOSFET工作于恒流區(qū)，ID隨著VGS快速線性增大，ID在負載電阻R上產生壓降而使VDS迅速下降。VDS的迅速下降一方面使CGD快速增大,另一方面，K=dVGS/dVGS=-gm·RL，根據(jù)密勒定理，將CGD折算到輸入端，其柵極輸入等效電容值將增大為Cin12=CGS+(1-K)CGD。41整理課件T2～T3：T2時刻VDS下降至接近VGS，CGD開始急劇增大，漏極電流ID已接近最大額定電流值。隨著VDS減小至接近于通態(tài)壓降，CGD趨于最大值(T3時刻)。在此過程中，一方面CGD本身很大，另一方面K絕對值很大，由于密勒效應，等效輸入電容Cin23非常大，從而引起柵極平臺的出現(xiàn)，柵極電流幾乎全部注入CGD

，使VDS下降。T3～T4：T3時刻后VDS下降至通態(tài)壓降并根本不變，CGD亦保持最大值根本不變，但密勒效應消失。柵極電流同時對CGS和CGD充電，柵極平臺消失,柵源電壓不斷上升直至接近驅動源的電源電壓VDD，上升的柵源電壓使漏源電阻RDS(on)減小。T4時刻以后M0SFET進入完全導通狀態(tài)42整理課件密勒效應密勒效應〔Millereffect〕是在電子學中，反相放大電路中，輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍，其中K是該級放大電路電壓放大倍數(shù)。對于MOSFET：在共源組態(tài)中，柵極與漏極之間的覆蓋電容CDG是密勒電容，CDG正好跨接在輸入端(柵極)與輸出端(漏極)之間，故密勒效應使得等效輸入電容增大，導致頻率特性降低。43整理課件MOSFET參數(shù)熱阻：導熱過程的阻力。為導熱體兩側溫差與熱流密度之比。Pch=(Tch-Tc)/θch-c=(150-25)/1.14W≈110W44整理課件靜態(tài)電特性45整理課件動態(tài)電特性E:\MOSFET\N\AO4448L.pdf46整理課件功率損耗1、傳導損耗P1=ID2×RDS(on)×D

其中RDS(on)是結點溫度的函數(shù)，可以通過on-resistancevs.temperature查找各溫度下的RDS(on)值RDS(on)隨溫度升高變大，因為電子和空穴的遷移率溫度越高越小。T是絕對溫度2、開關損耗

P2=1/2×Vin×ID×(Ton+Toff)×fs總損耗=傳導損耗+開關損耗47整理課件驅動電路電壓電