MOSFET原理功率MOS及其应用学习教案

1、会计学1MOSFET原理功率原理功率(gngl)MOS及其应用及其应用第一页，共55页。第1页/共55页第二页，共55页。电压控制电流型器件（电压产生的电场）电压控制电流型器件（电压产生的电场）单极型器件（只有一种载流子，单极型器件（只有一种载流子，N N：电子，：电子，P P：空穴：空穴）第2页/共55页第三页，共55页。耗尽耗尽型型增强增强型型P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道（耗尽型（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在在增强型增强型：场效应管没有加偏置电

2、压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类场效应管的分类(fn li)：MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)第3页/共55页第四页，共55页。增强型增强型MOS场效应管场效应管耗尽耗尽(ho jn)型型MOS场效场效应管应管MOS场效应管分类场效应管分类(fn li)1 MOS场效应管场效应管第4页/共55页第五页，共55页。MOSMOS场效应管场效应管N沟道沟道(u do)增强型增强型的的MOS管管P沟道沟道(u do)增强型的增强型的MOS管管N沟道沟道(u do)耗尽型的耗尽型的MOS管管P沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOS管管1 MOS场效应管场效应管第

3、5页/共55页第六页，共55页。一、一、N N沟道沟道(u do)(u do)增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管结构结构增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E绝缘栅极绝缘栅极(shn j)G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属(jnsh)绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管1 MOS场效应管场效应管动画五第6页/共55页第七页，共55页。 当当VGS较小时，虽然在较小时，虽然在P型衬底型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电能导电(dodin)。 当当VGS=VT时时,

4、 在在P型衬底表面形型衬底表面形成一层电子层，形成成一层电子层，形成N型导电型导电(dodin)沟道，在沟道，在VDS的作用下形的作用下形成成iD。二、二、N N沟道沟道(u do)(u do)增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管工作原理工作原理增强型增强型MOSMOS管管VDSiD+ +-+-+- - -VGS反型层反型层 当当VGS=0V时，漏源之间相当两个时，漏源之间相当两个(lin )背靠背的背靠背的PN结，无论结，无论VDS之间加什么电压都不会在之间加什么电压都不会在D、S间形成电流间形成电流iD,即即iD0. 当当VGSVT时时, 沟道加厚，沟道电沟道加厚，沟道电阻减少，阻减少

5、，在相同在相同VDS的作用下，的作用下，iD将进一步增加。将进一步增加。开始时无导电沟道，当在开始时无导电沟道，当在VGS VT时才形成沟道时才形成沟道, ,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOSMOS管管动画六一一方方面面 MOSFETMOSFET是利用栅源电压是利用栅源电压的大小，来改变半导体表的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。第7页/共55页第八页，共55页。VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当当VDS为为0或较小时或较小时(xiosh)，相当，相当 VGDVT ,此时此时V

6、DS 基本均匀降落在基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。沟道中，沟道呈斜线分布。在在VDS作用下形成作用下形成ID增强型增强型MOSMOS管管1 MOS场效应管场效应管另一方面，漏源电压另一方面，漏源电压VDSVDS对漏极电流对漏极电流IDID的的控制控制(kngzh)(kngzh)作用作用第8页/共55页第九页，共55页。当当VDS增加增加(zngji)到使到使VGD=VT时，时，当当VDS增加增加(zngji)到到VGDVT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 这相当于这相当于VDS增加增加(zngji)使漏极处沟使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。道缩减到刚刚开启的情况，称为

7、预夹断。此时的漏极电流此时的漏极电流ID 基本饱和。基本饱和。 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S S极极。 V VDSDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上， I ID D基本趋于不变。基本趋于不变。1 MOS场效应管场效应管另一方面另一方面，漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用VGD=VGSVDS第9页/共55页第十页，共55页。三、三、N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管特性场效应管特性(txng)(txng)曲线曲线增强型增强型MOSMOS管管i iD D= =f f

8、( (v vGSGS) ) v vDSDS=C =C 转移转移(zhuny)(zhuny)特性曲线特性曲线i iD D= =f f( (v vDSDS) ) v vGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线(qxin)(qxin)vDS(V)iD(mA)当当v vGSGS变化时，变化时，R RONON将将随之变化，因此称随之变化，因此称之为之为可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区( (饱和区饱和区) )：v vGSGS一定时，一定时，i iD D基本基本不随不随v vDSDS变化而变变化而变化。化。vGS/VDTGSDTGSTGSDDiVvIVvVvIi时的是2)() 1(020第10页/共55

9、页第十一页，共55页。一、一、N N沟道耗尽沟道耗尽(ho jn)(ho jn)型型MOSMOS场效应场效应管结构管结构耗尽耗尽(ho jn)(ho jn)型型MOSMOS场效场效应管应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在(cnzi)原始导电沟道原始导电沟道1 MOS场效应管场效应管第11页/共55页第十二页，共55页。耗尽耗尽(ho (ho jn)jn)型型MOSMOS管管二、二、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS场效应管工作场效应管工作(gngzu)(gngzu)原理原理 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，加正向电压，产生漏极电流产生漏极电流iD,此时的漏

10、极电流此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用称为漏极饱和电流，用IDSS表示表示。 当当VGS0时时,将使将使iD进一步增加进一步增加。 当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小的减小漏极电流逐渐漏极电流逐渐(zhjin)减小，直至减小，直至iD=0，对应，对应iD=0的的VGS称为夹断称为夹断电压，用符号电压，用符号VP表示。表示。VGS(V)iD(mA)VP1 MOS场效应管场效应管N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在V VGSGS 0 0或或V VGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在V VGSGS00第12页/共55页第十三页，

11、共55页。耗尽耗尽(ho (ho jn)jn)型型MOSMOS管管三、三、N N沟道耗尽沟道耗尽(ho jn)(ho jn)型型MOSMOS场效应管特性场效应管特性曲线曲线输出特性曲线输出特性曲线(qxin)(qxin)1 MOS场效应管场效应管VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线转移特性曲线第13页/共55页第十四页，共55页。各类绝缘各类绝缘(juyun)栅场效应三极管的特性曲线栅场效应三极管的特性曲线绝缘(juyun)栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型1 MOS场效应管场效应管第14页/共55页第十五页，共55页。绝缘(juyun)栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型1 MOS场效

12、应管场效应管第15页/共55页第十六页，共55页。场效应管的主要参数场效应管的主要参数2. 夹断电压夹断电压VP：是耗尽型：是耗尽型FET的参数的参数(cnsh)，当，当VGS=VP 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽耗尽(ho jn)型场效应三极管当型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1. 开启开启(kiq)电压电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压增强型管的参数，栅源电压小于开启小于开启(kiq)电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。1 MOS场效应管场效应管4. 直流输入电阻直流输入电阻R

13、GS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比。结型之比。结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压V(BR)DS: 使使ID开始剧增时的开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压V(BR) GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压第16页/共55页第十七页，共55页。7. 低频低频(dpn)跨导跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CVGSDmDSdvdig1 MOS场效应

14、管场效应管8. 输出电阻输出电阻rdsCVDDSdGSdidvrs9. 极间电容极间电容Cgs栅极栅极(shn j)与源极间电容与源极间电容Cgd 栅极栅极(shn j)与漏极间电容与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容第17页/共55页第十八页，共55页。场效应管偏置场效应管偏置(pin zh)电路电路三种三种(sn zhn)基本放大电路基本放大电路2 场效场效应管放大应管放大电路电路FETFET小信号模型小信号模型第18页/共55页第十九页，共55页。如果静态工作点设置在此处，信号放大后失真(sh zhn)严重，并且信号稍大就会部分进入截止区2 场效场效应管放大应管放大电路电

15、路第19页/共55页第二十页，共55页。一、场效应管偏置一、场效应管偏置(pin (pin zh)zh)电路电路1 1、自给偏置、自给偏置(pin (pin zh)zh)电路电路场效应管偏置电路的场效应管偏置电路的关键关键是如何是如何提供栅源控制电压提供栅源控制电压UGS自给偏置自给偏置(pin zh)电路：电路：适合结型场效应管和耗尽型适合结型场效应管和耗尽型MOS管管外加偏置电路：外加偏置电路： 适合增强型适合增强型MOS管管UGS = UG-US= -ISRS -IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自给偏置电路基本自给偏置电

16、路2 场效场效应管放大应管放大电路电路 R RS S的作用：的作用：1.1.提供栅源直流偏压。提供栅源直流偏压。2.2.提供直流负反馈提供直流负反馈，稳定静态工作点。，稳定静态工作点。R RS S越大，工作点越稳定。越大，工作点越稳定。第20页/共55页第二十一页，共55页。偏置偏置(pin (pin zh)zh)电路电路改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路大电阻（大电阻（M)，减小减小R1、R2对放大对放大(fngd)电电路输入电阻的影响路输入电阻的影响D212GERRRUUGS = UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D21

17、2ERRR2 场效场效应管放大应管放大电路电路1 1、自给偏置、自给偏置(pin zh)(pin zh)电路电路R1R2提供一个提供一个正偏栅压正偏栅压UG第21页/共55页第二十二页，共55页。偏置偏置(pin (pin zh)zh)电路电路2 2、外加偏置、外加偏置(pin (pin zh)zh)电路电路D212GERRRU-IDRSD212ERRRR1和和R2提供一个提供一个(y )固定栅压固定栅压UGS = UG-US注：要求注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作正常工作2 场效场效应管放大应管放大电路电路第22页/共55页第

18、二十三页，共55页。二、场效应管的低频小信号二、场效应管的低频小信号(xnho)(xnho)模型模型 iD由输出特性：由输出特性：iD=f(vGS,vDS)DS0vDSDGS0vGSDDvvivviiGSDSDSGSDvvidsmgg2 场效场效应管放大应管放大电路电路dsgsdvvidsmggSDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs第23页/共55页第二十四页，共55页。三、三种基本放大三、三种基本放大(fngd)(fngd)电路电路1 1、共源放大、共源放大(fngd)(fngd)电路电路（1） 直流分析直流分析(fnx)UGS = UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1II

19、UGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR2 场效场效应管放大应管放大电路电路第24页/共55页第二十五页，共55页。基本基本(jbn)(jbn)放大电路放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUiUo未接未接Cs时时一般一般rds较大较大(jio d)可忽略可忽略ioUUUA=- gmUgsRDUgs+ gmUgsRs=- gmRD1 + gmRsRD=RD/RL（2） 动态分析动态分析Ri=RG+(R1/R2) RG Ro RDRiRo第25页/共55页第二十六页，共55页。基本放大基本放大(fngd)(fngd)电路电路IdGRGR1R2RDR

20、LDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时UA=- gmRD1 + gmRsRiRi=RG+(R1/R2)RG RoRo RD接入接入Cs时时AU= -gm(rds/RD/RL)Ri=RG+(R1/R2)RG Ro =RD/rds RDRsRs的作用是提供直流栅源电压的作用是提供直流栅源电压(diny)(diny)、引入直流负反馈来稳定、引入直流负反馈来稳定工作点。但它对交流也起负反馈作工作点。但它对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入用，使放大倍数降低。接入CSCS可以可以消除消除RSRS对交流的负反馈作用。对交流的负反馈作用。第26页/共55页第二十七页，共55页。ri基

21、本基本(jbn)(jbn)放大电路放大电路2 2、共漏放大、共漏放大(fngd)(fngd)电路电路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSDioUUUA=gmUgsRSUgs+ gmUgsRs=gmRS1 + gmRsRS=rds/RS/RL RS/RL1AU1ri=RGUgs+-电压电压(diny)增益增益输入电阻输入电阻2 场效场效应管放大应管放大电路电路第27页/共55页第二十八页，共55页。基本基本(jbn)(jbn)放大电路放大电路输出电阻输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-SooRUI - gmUgsUgs=

22、-Uo=Uo(1/Rs+gm)oooIUr msg1/R1msg1/RUA=gmRS1 + gmRs电压电压(diny)增益增益ri=RG输入电阻输入电阻2 场效场效应管放大应管放大电路电路2 2、共漏放大、共漏放大(fngd)(fngd)电路电路第28页/共55页第二十九页，共55页。基本放大基本放大(fngd)(fngd)电路电路3 3、共栅放大、共栅放大(fngd)(fngd)电路电路SGDrdsgmUgsSGD电压电压(diny)增益增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo= -IdRDUgs= -UiId= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds)/rR(

23、1)U1/r(gIdsDidsmdioUUUAiDdURI)/rR(1R)1/r(gdsDDdsm当当rdsRD时时AU gmRDri输入电阻输入电阻ri =Ui/IddsmdsD1/rg/rR1rdsRDgmrds1ri 1/gmririRs/1/gm2 场效场效应管放大应管放大电路电路第29页/共55页第三十页，共55页。基本放大基本放大(fngd)(fngd)电路电路电压电压(diny)增益增益AU gmRD输入电阻输入电阻ri 1/gmriRs/1/gmSGDrdsgmUgs输出电阻输出电阻roro =rdsro=rds/RD RD电压增益高，输入电阻很低，输出电压增益高，输入电阻很低

24、，输出(shch)电阻高，输出电阻高，输出(shch)电压与输入电压同相电压与输入电压同相2 场效场效应管放大应管放大电路电路3 3、共栅放大电路、共栅放大电路第30页/共55页第三十一页，共55页。组态组态(z ti)(z ti)对应对应关系：关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：2 场效场效应管放大应管放大电路电路三种基本放大电路的性能三种基本放大电路的性

25、能(xngnng)比较比较第31页/共55页第三十二页，共55页。beb/rR输出电阻输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcRBJTFET输入电阻输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR2 场效场效应管放大应管放大电路电路三种三种(sn zhn)基本放大电路基本放大电路的性能比较的性能比较第32页/共55页第三十三页，共55页。第33页/共55页第三十四页，共55页。第34页/共55页第三十五页，共55页。vC、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(ky)减小导通电阻。vb、双扩散第35页/共55页第三十六页，共55页。v寄生(jshng)二极管：源极与衬底短接，形成寄生(jshng)二极管（体二极管）第36页/共55页第三十七页，共55页。等效电路开 关过程的影响都最为显著。CGDVDSVDS=VGS第37页/共55页第三十八页，共55页。第38页/共55页第三十九页，共55页。第39页/共55页第四十页，共55页。vt1t2：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(chnshng)压降而使VDS迅