MOSFET原理、功率MOS及其应用PPT学习课件

1、MOSFET原理介绍与应用,田毅,1,内容,概述 原理介绍 低频小信号放大电路 功率MOSFET 应用,2,概述,MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）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。,3,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,4,1 原理介绍,增强型MOS场效应管,耗尽型MOS场效应管,MO

2、S场效应管分类,5,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,6,一、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,动画五,7,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

3、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iD0.,当VGSVT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VGSVT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。,8,当VGSVT，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=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当 VGDVT ,此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在

4、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,9,当VDS增加到使VGD=VT时，,当VDS增加到VGDVT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=VGSVDS,10,三、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

5、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,11,一、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,12,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VGS0时,将使iD进一步增加。 当VGS0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VG

6、S0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0,13,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,14,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,15,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,16,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.

7、 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:1091015。,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) GS JFET：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,17,7. 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,18,2 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,19,为什么要设定一个静态工作点,无静态工作点，小

8、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,20,一、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。,21,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 =

9、 UG-US,-IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),1、自给偏置电路,22,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UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作,23,二、场效应管的低频小信号模型,由输出特性：,iD=f(vGS,vDS),24,三、三种基本放大电路,1、共源放大电路,（1） 直流分析,25,基本放大电路,D,S,Ui,Uo,未接Cs时,一般rds较大可忽略,=,- gmUgsRD,Ugs,+ gmUgsRs,RD=RD/RL,（2） 动态分析,Ri=RG+(R1/R2),RG,

10、Ro RD,26,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。,27,基本放大电路,2、共漏放大电路,Ui,Uo,=,gmUgsRS,Ugs,+ gmUgsRs,RS=rds/RS/RL RS/RL,1,gmRS1,AU1,ri=RG,电压增益,输入电阻,28,基本放大电路,输出电阻,- gmUgs,Ugs= -Uo,

11、=Uo(1/Rs+gm),电压增益,2、共漏放大电路,29,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= -IdRD,Ugs= -Ui,Id= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds,AU gmRD,输入电阻,ri =Ui/Id,rdsRD gmrds1,ri 1/gm,riRs/1/gm,30,基本放大电路,电压增益,AU gmRD,输入电阻,ri 1/gm,riRs/1/gm,输出电阻,ro =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,31,组态对应关系：

12、,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,32,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,33,功率MOSFET,结构 功率MOSFET开关过程 功率损耗 驱动电路 参数,34,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So

13、urce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.,35,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,36,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

14、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）,37,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。,38,MOS

15、FET导通过程,39,4个过程充电等效电路,40,t0t1：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。,t1t2：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=-gmRL，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。,41,T2T3：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

16、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。,T3T4：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,42,密勒效应,密勒效应（Miller effect）是在电子学中，反相放

17、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。,43,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,44,静态电特性,45,动态电特性,E:MOSFETNAO4448L.pdf,46,功率损耗,1、传导损耗 P1=IDR

18、DS(on) D 其中RDS(on) 是结点温度的函数，可以通过on-resistance vs. 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=1/2VinID(Ton+Toff) fs,总损耗=传导损耗+开关损耗,47,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