电工MOS管的原理.doc

电子电工课外作业研究题目：MOS管的应用指导老师： 小组成员： N沟道MOS管的原理与应用N沟道金属-氧化物-半导体场效应管(MOS管)的结构及工作原理：结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻，在高温条件下工作时，PN结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS管在栅-源电压vGS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。而耗尽型MOS管在vGS=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。一、N沟道增强型场效应管结构：a) N沟道增强型MOS管结构示意图 (b) N沟道增强型MOS管代表符号 (c) P沟道增强型MOS管代表符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。二、N沟道增强型场效应管工作原理：1vGS对iD及沟道的控制作用MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD0。若在栅-源极间加上正向电压，即vGS0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vGSVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGSVT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。2vDS对iD的影响如图2(a)所示，当vGSVT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS - vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。 三、特性曲线、电流方程及参数：1特性曲线和电流方程N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为 ( vGSVT ) 式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。2. 参数MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性。二、 MOS管的一些应用举例：1，双电压： 在一些控制电路中，逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压，而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。 这就提出一个要求，需要使用一个电路，让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。 在这三种情况下，图腾柱结构无法满足输出要求，而很多现成的MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压限制的结构。 于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求。 电路图如下： 图1 用于NMOS的驱动电路 图2 用于PMOS的驱动电路 这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析： Vl和Vh分别是低端和高端的电源，两个电压可以是相同的，但是Vl不应该超过Vh。 Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱，用来实现隔离，同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。 R2和R3提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。 Q3和Q4用来提供驱动电流，由于导通的时候，Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降，这个压降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。 R5和R6是反馈电阻，用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个强烈的负反馈，从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过R5和R6来调节。 最后，R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制，R4提供了对MOS管的gate电流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的时候可以在R4上面并联加速电容。 这个电路提供了如下的特性： ， 用低端电压和PWM驱动高端MOS管。 ，用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。 ，gate电压的峰值限制。 ，输入和输出的电流限制。 ，通过使用合适的电阻，可以达到很低的功耗。 ，PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性，可以通过前置一个反相器来解决。2，自举升压电路： 自举升压电路的原理图如图1所示。所谓的自举升压原理就是，在输入端IN输入一个方波信号，利用电容Cboot将A点电压抬升至高于VDD的电平，这样就可以在B端输出一个与输入信号反相，且高电平高于VDD的方波信号。具体工作原理如下。 当VIN为高电平时，NMOS管N1导通，PMOS管P1截止，C点电位为低电平。同时N2导通，P2的栅极电位为低电平，则P2导通。这就使得此时A点电位约为VDD，电容Cboot两端电压UCVDD。由于N3导通，P4截止，所以B点的电位为低电平。这段时间称为预充电周期。 当VIN变为低电平时，NMOS管N1截止，PMOS管P1导通，C点电位为高电平，约为VDD。同时N2、N3截止，P3导通。这使得P2的栅极电位升高，P2截止。此时A点电位等于C点电位加上电容Cboot两端电压，约为2VDD。而且P4导通，因此B点输出高电平，且高于VDD。这段时间称为自举升压周期。 3，驱动电路： 图3中给出了驱动电路的电路图。驱动电路采用Totem输出结构设计，上拉驱动管为NMOS管N4、晶体管Q1和PMOS管P5。下拉驱动管为NMOS管N5。图中CL为负载电容，Cpar为B点的寄生电容。虚线框内的电路为自举升压电路。 本驱动电路的设计思想是，利用自举升压结构将上拉驱动管N4的栅极（B点）电位抬升，使得UBVDD+VTH ，则NMOS管N4工作在线性区，使得VDSN4 大大减小，最终可以实现驱动输出高电平达到VDD。而在输出低电平时，下拉驱动管本身就工作在线性区，可以保证输出低电平位GND。因此无需增加自举电路也能达到设计要求。 考虑到此驱动电路应用于升压型DCDC转换器的开关管驱动，负载电容CL很大，一般能达到几十皮法，还需要进一步增加输出电流能力，因此增加了晶体管Q1作为上拉驱动管。这样在输入端由高电平变为低电平时，Q1导通，由N4、Q1同时提供电流，OUT端电位迅速上升，当OUT端电位上升到VDDVBE时，Q1截止，N4继续提供电流对负载电容充电，直到OUT端电压达到VDD。在OUT端为高电平期间，A点电位会由于电容Cboot 上的电荷泄漏等原因而下降。这会使得B点电位下降，N4的导通性下降。同时由于同样的原因，OUT端电位也会有所下降，使输出高电平不能保持在VDD。为了防止这种现象的出现，又增加了PMOS管P5作为上拉驱动管，用来补充OUT端CL的泄漏电荷，维持OUT端在整个导通周期内为高电平。 驱动电路的传输特性瞬态响应在图4中给出。其中（a）为上升沿瞬态响应，（b）为下降沿瞬态响应。从图4中可以看出，驱动电路上升沿明显分为了三个部分，分别对应三个上拉驱动管起主导作用的时期。1阶段为Q1、N4共同作用，输出电压迅速抬升，2阶段为N4起主导作，使输出电平达到VDD，3阶段为P5起主导作用，维持输出高电平为VDD。而且还可以缩短上升时间，下降时间满足工作频率在兆赫兹级以上的要求。三、问题与讨论： ,正确使用CMOS管需要注意哪些基本要求？（吴鲁明 33号）答：不要超过手册上所列出的极限工作条件的限制，器件上所有空闲的输入端必须接 VDD 或 VSS，并且要接触良好。所有低阻抗设备（例如脉冲信号发生器等）在接到 NMOS集成电路输入端以前必然让器件先接通电源，同样设备与器件断开后器件才能断开电源。所有 NMOS 集成电路应当放置在接地良好的工作台上，鉴于工作人员也能对工作台产出静电放电，所以工作人员在操作器件之前自身必须先接地，尼龙或其它易产生静电的材料不允许NMOS 集成电路接触。在通电状态时不准插入或拔出集成电路，绝对应当按下列程序操作：a、插上集成电路后才通电。b、断电后才能拔出集成电路电路板。 告诫使用 MOS 集成电路的人员，决不能让操作人员直接与电气地相连，为了安全的原因，操作人员与地气之间的电阻至少应有 100K。除非绝对必要外，都不准工作人员触摸NMOS器件的引线端子。，双电压有什么好处？（曹铭炼 07号）答：双电压有对称的和非对称的，正负电压相等就是对称的，双电压的好处是电压可以从负到正，有“零电压”，因为单电源是很难达到零电压的，双电压可以得到对称的波形，可以不用电容隔直，其实双电压和单电压只是相对来说的，它们只是零电压参考点不一样而已，如果双电压把最小电压作为参考点就变成单电压。，自举电路包括什么？（柏春 04号）答：输出晶体管、设置在输出晶体管的栅极和源极之间的自举电容器、电源以及执行从电源到晶体管的栅极的供电接通/ 断开控制的电路。独立于晶体管的阈值电压，将自举效应之前的初始电压设为电源的电势。因此，取决于晶体管的阈值电压的变化不会影响由于自举效应引起的晶体管的源极输出的上升或下降。，自举电路的应用有哪些？（柏春 04号）答：自举电路通常用在高压驱动的场合中，通常用一个电容和一个二极管，电容存储电压，二极管防止电流倒灌，频率较高的时候，自举电路的电压就是电路输入的电压加上电容上的电压，起到升压的作用。自举电路也叫升压电路，利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。，MOS管驱动电路的一些特性与应用特点？（吴鲁明 33号）答：MOS管驱动电路最显著的特性是开关特性好，从以上电路分析可知:00MOS管导通特性Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况低端驱动，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。（PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况高端驱动）。MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。 MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积。 导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。减小开关损失。 在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。因此，选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。评论：（一）能够详细地说明MOS管的重要应用，而且举了很多例子，列出不同的场合的应用，能够结合相应的电路图来分析，达到深入地讲解MOS管的作用。该小组对MOS管讨论的比较详细，能写出自己的问题和看法，并能找出问题的答案所在。在这次的讨论中，我们相信他们通过这次对MOS管的应用的研究后，对其有了进一步的认识。但是对于一个具体的电路来说，详细的解说还是比较欠缺，应该从多方面来说明电路的重要作用。因为我们小组的成员对于MOS管不怎么了解，所以对于很多好的地方可能还未发现出来，对于欠缺的地方也不太了解，希望以后能够再进行交流，以达到共同学习的目的。（评论小组成员：梁燕友、刘永洲、韦鸿昌、吴祖宇、张飞荣）评论: （二）该小组研究的是N沟道MOS管的原理与应用，通过他们的报告以及讨论，让我初步认识到N沟道MOS管。该小组介绍了N沟道MOS管的原理、结构及工作原理、特性曲线、电