MOSFET原理、功率MOS及其应用.ppt

MOSFET原理介绍与应用 田毅 内容 概述原理介绍低频小信号放大电路功率MOSFET应用 概述 MOSFET Metal Oxide SemiconductorField EffectTransistor 金属 氧化层 半导体 场效应晶体管它具有双极型三极管的体积小 重量轻 耗电少 寿命长等优点具有输入电阻高 热稳定性好 抗辐射能力强 噪声低 制造工艺简单 便于集成等特点 在大规模及超大规模集成电路中得到广泛的应用 场效应管的分类 从半导体导电沟道类型上分 从有无原始导电沟道上分 从结构上分 1原理介绍 增强型MOS场效应管 耗尽型MOS场效应管 MOS场效应管分类 MOS场效应管 N沟道增强型的MOS管 P沟道增强型的MOS管 N沟道耗尽型的MOS管 P沟道耗尽型的MOS管 一 N沟道增强型MOS场效应管结构 增强型MOS场效应管 漏极D 集电极C 源极S 发射极E 绝缘栅极G 基极B 衬底B 电极 金属绝缘层 氧化物基体 半导体因此称之为MOS管 动画五 当VGS较小时 虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层 但负离子不能导电 当VGS VT时 在P型衬底表面形成一层电子层 形成N型导电沟道 在VDS的作用下形成iD 二 N沟道增强型MOS场效应管工作原理 增强型MOS管 当VGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的PN结 无论VDS之间加什么电压都不会在D S间形成电流iD 即iD 0 当VGS VT时 沟道加厚 沟道电阻减少 在相同VDS的作用下 iD将进一步增加 开始时无导电沟道 当在VGS VT时才形成沟道 这种类型的管子称为增强型MOS管 动画六 一方面 MOSFET是利用栅源电压的大小 来改变半导体表面感生电荷的多少 从而控制漏极电流的大小 当VGS VT 且固定为某一值时 来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响 VDS VDG VGS VGD VGSVGD VGS VDS 当VDS为0或较小时 相当VGD VT 此时VDS基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布 在VDS作用下形成ID 增强型MOS管 另一方面 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VDS增加到使VGD VT时 当VDS增加到VGD VT时 增强型MOS管 这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 此时的漏极电流ID基本饱和 此时预夹断区域加长 伸向S极 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上 ID基本趋于不变 另一方面 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 VGD VGS VDS 三 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 增强型MOS管 iD f vGS vDS C 转移特性曲线 iD f vDS vGS C 输出特性曲线 当vGS变化时 RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 恒流区 饱和区 vGS一定时 iD基本不随vDS变化而变化 vGS V 一 N沟道耗尽型MOS场效应管结构 耗尽型MOS场效应管 耗尽型MOS管存在原始导电沟道 耗尽型MOS管 二 N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 当VGS 0时 VDS加正向电压 产生漏极电流iD 此时的漏极电流称为漏极饱和电流 用IDSS表示 当VGS 0时 将使iD进一步增加 当VGS 0时 随着VGS的减小漏极电流逐渐减小 直至iD 0 对应iD 0的VGS称为夹断电压 用符号VP表示 N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS 0或VGS 0N沟道增强型MOS管只能工作在VGS 0 耗尽型MOS管 三 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线 输出特性曲线 转移特性曲线 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线 绝缘栅场效应管 N沟道增强型 P沟道增强型 绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 场效应管的主要参数 2 夹断电压VP 是耗尽型FET的参数 当VGS VP时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当VGS 0时所对应的漏极电流 1 开启电压VT MOS增强型管的参数 栅源电压小于开启电压的绝对值 场效应管不能导通 4 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比 结型 大于107 绝缘栅 109 1015 5 漏源击穿电压V BR DS 使ID开始剧增时的VDS 6 栅源击穿电压V BR GSJFET 反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS 使SiO2绝缘层击穿的电压 7 低频跨导gm 反映了栅源压对漏极电流的控制作用 8 输出电阻rds 9 极间电容 Cgs 栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容 2场效应管放大电路 场效应管偏置电路 三种基本放大电路 FET小信号模型 为什么要设定一个静态工作点 无静态工作点 小信号加到栅源端 管子不工作静态管工作点设在输入曲线接近直线段中点小信号模型参数与静态工作点有关 如果静态工作点设置在此处 信号放大后失真严重 并且信号稍大就会部分进入截止区 一 场效应管偏置电路 1 自给偏置电路 自给偏置电路 适合结型场效应管和耗尽型MOS管 外加偏置电路 适合增强型MOS管 UGS UG US ISRS IDRS UGSQ和IDQ UDSQ ED IDQ RS RD RS的作用 1 提供栅源直流偏压 2 提供直流负反馈 稳定静态工作点 RS越大 工作点越稳定 偏置电路 大电阻 M 减小R1 R2对放大电路输入电阻的影响 UGS UG US IDRS UGSQ和IDQ UDSQ ED IDQ RS RD 1 自给偏置电路 偏置电路 2 外加偏置电路 IDRS R1和R2提供一个固定栅压 UGS UG US 注 要求UG US 才能提供一个正偏压 增强型管子才能正常工作 二 场效应管的低频小信号模型 由输出特性 iD f vGS vDS 三 三种基本放大电路 1 共源放大电路 1 直流分析 基本放大电路 D S Ui Uo 未接Cs时 一般rds较大可忽略 gmUgsR D Ugs gmUgsRs R D RD RL 2 动态分析 Ri RG R1 R2 RG Ro RD 基本放大电路 未接Cs时 Ri RG R1 R2 RG Ro RD 接入Cs时 AU gm rds RD RL Ri RG R1 R2 RG Ro RD rds RD Rs的作用是提供直流栅源电压 引入直流负反馈来稳定工作点 但它对交流也起负反馈作用 使放大倍数降低 接入CS可以消除RS对交流的负反馈作用 基本放大电路 2 共漏放大电路 Ui Uo gmUgsR S Ugs gmUgsR s R S rds RS RL RS RL 1 gmR S 1 AU 1 ri RG 电压增益 输入电阻 基本放大电路 输出电阻 gmUgs Ugs Uo Uo 1 Rs gm 电压增益 2 共漏放大电路 基本放大电路 3 共栅放大电路 电压增益 Id gmUgs Uds rds Uds Uo Ui Uo IdR D Ugs Ui Id gmUi IdR D Ui rds AU gmR D 输入电阻 r i Ui Id rds R Dgmrds 1 r i 1 gm ri Rs 1 gm 基本放大电路 电压增益 AU gmR D 输入电阻 r i 1 gm ri Rs 1 gm 输出电阻 r o rds ro rds RD RD 电压增益高 输入电阻很低 输出电阻高 输出电压与输入电压同相 3 共栅放大电路 组态对应关系 CE BJT FET CS CC CD CB CG BJT FET CE CC CB CS CD CG 三种基本放大电路的性能比较 CE CC CB CS CD CG CE CC CB CS CD CG 三种基本放大电路的性能比较 功率MOSFET 结构功率MOSFET开关过程功率损耗驱动电路参数 功率MOS结构 横向通道型 指Drain Gate Source的终端均在硅晶圆的表面 这样有利于集成 但是很难获得很高的额定功率 这是因为Source与Drain间的距离必须足够大以保证有较高的耐压值 垂直通道型 指Drain和Source的终端置在晶圆的相对面 这样设计Source的应用空间会更多 当Source与Drain间的距离减小 额定的Ids就会增加 同时也会增加额定电压值 垂直通道型又可分为 VMOS DMOS UMOS a 在gate区有一个V型凹槽 这种设计会有制造上的稳定问题 同时 在V型槽的尖端也会产生很高的电场 因此VMOS元件的结构逐渐被DMOS元件的结构所取代 C 在gate区有一个U型槽 与VMOS和DMOS相比 这种设计会有很高的通道浓度 可以减小导通电阻 b 双扩散 寄生三极管 MOS内部N 区 P body区 N 区构成寄生三极管 当BJT开启时击穿电压由BVCBO变成BVCEO 只有BVCBO的50 到60 这种情况下 当漏极电压超过BVCEO时 MOS雪崩击穿 如果没有外部的漏极电流限制 MOS将被二次击穿破坏 所以 要镀一层金属来短接N 区和P body区 以防止寄生BJT的开启 在高速开关状态 B E间会产生电压差 BJT可能开启 寄生二极管 源极与衬底短接 形成寄生二极管 体二极管 MOSFET开关过程 等效电路 输入电容 CiSS CGS CGD输出电容 COSS CGD CDS反向传输电容 CrSS CGD上述电容值在开关过程会发生变化 CGD受开关过程的影响和他本身的变化对开关过程的影响都最为显著 MOSFET导通过程 4个过程充电等效电路 t0 t1 t0时刻给功率MOSFET加上理想开通驱动信号 栅极电压从0上升到门限电压VGS th MOSFET上的电压电流都不变化 CGD很小且保持不变 t1 t2 MOSFET工作于恒流区 ID随着VGS快速线性增大 ID在负载电阻R上产生压降而使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 根据密勒定理 将CGD折算到输入端 其栅极输入等效电容值将增大为Cin12 CGS 1 K CGD T2 T3 T2时刻VDS下降至接近VGS CGD开始急剧增大 漏极电流ID已接近最大额定电流值 随着VDS减小至接近于通态压降 CGD趋于最大值 T3时刻 在此过程中 一方面CGD本身很大 另一方面K绝对值很大 由于密勒效应 等效输入电容Cin23非常大 从而引起栅极平台的出现 栅极电流几乎全部注入CGD 使VDS下降 T3 T4 T3时刻后VDS下降至通态压降并基本不变 CGD亦保持最大值基本不变 但密勒效应消失 栅极电流同时对CGS和CGD充电 栅极平台消失 栅源电压不断上升直至接近驱动源的电源电压VDD 上升的栅源电压使漏源电阻RDS on 减小 T4时刻以后M0SFET进入完全导通状态 密勒效应 密勒效应 Millereffect 是在电子学中 反相放大电路中 输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用 其等效到输入端的电容值会扩大1 K倍 其中K是该级放大电路电压放大倍数 对于MOSFET 在共源组态中 栅极与漏极之间的覆盖电容CDG是密勒电容 CDG正好跨接在输入端 栅极 与输出端 漏极 之间 故密勒效应使得等效输入电容增大 导致频率特性降低 MOSFET参数 热阻 导热过程的阻力 为导热体两侧温差与热流密度之比 Pch Tch Tc ch c 150 25 1 14W 110W 静态电特性 动态电特性 E MOSFET N AO4448L pdf 功率损耗 1 传导损耗P1 ID RDS on D其中RDS on 是结点温度的函数 可以通过on resistancevs temperature查找各温度下的RDS on 值RDS on 随温度升高变大 因为电子和空穴的迁移率温度越高越小 T是绝对温度 2 开关损耗P2 1 2 Vin ID Ton Toff fs 总损耗 传导损耗 开关损耗 驱动电路 电压电压一定要使MOSFET完全导通 datasheet上查看 VGS要大于平台电压 如果MOSFET工作在横流区 VDS会很大 器件消耗功率非常大 MOSFET将会烧毁 电流I Q T Q 栅极总电荷 T 导通 截止时间 上述公式假设电流 I 使用的是恒流源 如果使用MOSFET驱动器的峰值驱动电流来计算 将会产生一些误差 如驱动器在18V时标称电流为0 5A 则在12V时 其峰值输出电流将小于0 5A 选择驱动器时 一般标称电流要比实际电流大一倍 两个MOSFET并联时 所需驱动电流将增大 MOSFET驱动器的功耗1 PC CG VDD F QG V FCG MOSFET栅极电容VDD MOSFET驱动器电源电压 V F 开关频率QG 栅极总电荷2 PQ IQH D IQL 1 D VDDIQH 驱动器输入为高电平状态的静态电流D 开关波形的占空比去IQL 驱动器输入为低电平状态的静