MOSFET原理功率MOS及其應(yīng)用

1、MOSFET原理介紹與應(yīng)用,內(nèi)容,概述 原理介紹 低頻小信號放大電路 功率MOSFET 應(yīng)用,概述,MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效應(yīng)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(yīng)用。,場效應(yīng)管的分類：,從半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道類型上分,從有無原始導(dǎo)電溝道上分,從結(jié)構(gòu)上分,1 原理介紹,增強型MOS場效應(yīng)管,耗盡型MOS場效應(yīng)管,MOS場效應(yīng)管分類,MOS

2、場效應(yīng)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,一、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu),增強型MOS場效應(yīng)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(dǎo)體 因此稱之為MOS管,動畫五,當VGS較小時，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負離子不能導(dǎo)電。 當VGS=VT時, 在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在VDS的作用下形成iD。,二、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管工作原理,增強型MOS管,-,-,-,-,當VGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的PN結(jié)，無論VDS之間加什么電壓都

3、不會在D、S間形成電流iD,即iD0.,當VGSVT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(dǎo)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(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。,當VGSVT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS的不同變化對導(dǎo)電溝道和漏極電流ID的影響。,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,當VDS為0或較小時，相當 VGDVT ,此時VDS 基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,

4、另一方面，漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,當VDS增加到使VGD=VT時，,當VDS增加到VGDVT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(yù)夾斷。此時的漏極電流ID 基本飽和。,此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。,另一方面，漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,VGD=VGSVDS,三、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線,增強型MOS管,iD=f(vGS)vDS=C,轉(zhuǎn)移特性曲線,iD=f(vDS)vGS=C,輸出特性曲線,當vGS變化時，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū),

5、恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時，iD基本不隨vDS變化而變化。,vGS/V,一、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu),耗盡型MOS場效應(yīng)管,+ + + + + + +, ,耗盡型MOS管存在 原始導(dǎo)電溝道,耗盡型MOS管,二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理,當VGS=0時，VDS加正向電壓，產(chǎn)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VGS0時,將使iD進一步增加。 當VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。,N溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N溝道增強型MOS管只能工作在VGS0,耗盡

6、型MOS管,三、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線,輸出特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線,各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線,絕緣柵場效應(yīng)管,N 溝 道 增 強 型,P 溝 道 增 強 型,絕緣柵場效應(yīng)管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,場效應(yīng)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(yīng)三極管當VGS=0時所對應(yīng)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(yīng)管不能導(dǎo)通。,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(jié)型:大于

7、107，絕緣柵:1091015。,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) GS JFET：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,7. 低頻跨導(dǎo)gm ：反映了柵源壓對漏極電流的控制作用。,8. 輸出電阻rds,9. 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,2 場效應(yīng)管放大電路,場效應(yīng)管偏置電路,三種基本放大電路,FET小信號模型,為什么要設(shè)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(shè)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(guān),如

8、果靜態(tài)工作點設(shè)置在此處，信號放大后失真嚴重，并且信號稍大就會部分進入截止區(qū),一、場效應(yīng)管偏置電路,1、自給偏置電路,自給偏置電路：,適合結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管,外加偏置電路：,適合增強型MOS管,UGS = UG-US,= -ISRS, -IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),RS的作用：1.提供柵源直流偏壓。2.提供直流負反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。RS越大，工作點越穩(wěn)定。,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,-IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),1、自給偏置電路,偏置電路,2、

9、外加偏置電路,-IDRS,R1和R2提供一個固定柵壓,UGS = UG-US,注：要求UGUS，才能提供一個正偏壓，增強型管子才能 正常工作,二、場效應(yīng)管的低頻小信號模型,由輸出特性：,iD=f(vGS,vDS),三、三種基本放大電路,1、共源放大電路,（1） 直流分析,基本放大電路,D,S,Ui,Uo,未接Cs時,一般rds較大可忽略,=,- gmUgsRD,Ugs,+ gmUgsRs,RD=RD/RL,（2） 動態(tài)分析,Ri=RG+(R1/R2),RG,Ro RD,基本放大電路,未接Cs時,Ri=RG+(R1/R2),RG,Ro RD,接入Cs時,AU= -gm(rds/RD/RL),Ri

10、=RG+(R1/R2),RG,Ro =RD/rds RD,Rs的作用是提供直流柵源電壓、引入直流負反饋來穩(wěn)定工作點。但它對交流也起負反饋作用，使放大倍數(shù)降低。接入CS可以消除RS對交流的負反饋作用。,基本放大電路,2、共漏放大電路,Ui,Uo,=,gmUgsRS,Ugs,+ gmUgsRs,RS=rds/RS/RL RS/RL,1,gmRS1,AU1,ri=RG,電壓增益,輸入電阻,基本放大電路,輸出電阻,- gmUgs,Ugs= -Uo,=Uo(1/Rs+gm),電壓增益,2、共漏放大電路,基本放大電路,3、共柵放大電路,電壓增益,Id=gmUgs+Uds/rds,Uds=Uo-Ui,Uo=

11、 -IdRD,Ugs= -Ui,Id= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds,AU gmRD,輸入電阻,ri =Ui/Id,rdsRD gmrds1,ri 1/gm,riRs/1/gm,基本放大電路,電壓增益,AU gmRD,輸入電阻,ri 1/gm,riRs/1/gm,輸出電阻,ro =rds,ro=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,3、共柵放大電路,組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三種基本放大電路的性能比較,CE：,CC：,CB：,CS

12、：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三種基本放大電路的性能比較,功率MOSFET,結(jié)構(gòu) 功率MOSFET開關(guān)過程 功率損耗 驅(qū)動電路 參數(shù),功率MOS結(jié)構(gòu),橫向通道型：指Drain、Gate、Source的終端均在硅晶圓的表面，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(shè)計Source的應(yīng)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、DMO

13、S、UMOS.,a、在gate區(qū)有一個V型凹槽，這種設(shè)計會有制造上的穩(wěn)定問題，同時，在V型槽的尖端也會產(chǎn)生很高的電場，因此VMOS元件的結(jié)構(gòu)逐漸被DMOS元件的結(jié)構(gòu)所取代。,C、在gate區(qū)有一個U型槽。與VMOS和DMOS相比，這種設(shè)計會有很高的通道濃度，可以減小導(dǎo)通電阻。,b、雙擴散,寄生三極管： MOS內(nèi)部N+區(qū)，P-body區(qū)，N-區(qū)構(gòu)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)

14、，以防止寄生BJT的開啟。 在高速開關(guān)狀態(tài)，B、E間會產(chǎn) 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）,MOSFET開關(guān)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(guān)過程會發(fā)生變化，CGD受開關(guān)過程的影響和他本身的變化對開 關(guān)過程的影響都最為顯著。,MOSFET導(dǎo)通過程,4個過程充電等效電路,t0t1：t0時刻給功率MOSFET加上理想開通驅(qū)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。,t1t2：MOSFE

15、T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(chǎn)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=-gmRL，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。,T2T3：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(yīng)，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V

16、DS下降。,T3T4：T3時刻后VDS下降至通態(tài)壓降并基本不變， CGD亦保持最大值基本不變，但密勒效應(yīng)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(qū)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(dǎo)通狀態(tài),密勒效應(yīng),密勒效應(yīng)（Miller effect）是在電子學(xué)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

17、極)與輸出端(漏極)之間，故密勒效應(yīng)使得等效輸入電容增大，導(dǎo)致頻率特性降低。,MOSFET參數(shù),熱阻：導(dǎo)熱過程的阻力。為導(dǎo)熱體兩側(cè)溫差與熱流密度之比。,Pch= (Tch-Tc)/ch-c = (150-25)/1.14W 110W,靜態(tài)電特性,動態(tài)電特性,E:MOSFETNAO4448L.pdf,功率損耗,1、傳導(dǎo)損耗 P1=IDRDS(on) D 其中RDS(on) 是結(jié)點溫度的函數(shù)，可以通過on-resistance vs. 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(guān)損耗 P2=1/2V

18、inID(Ton+Toff) fs,總損耗=傳導(dǎo)損耗+開關(guān)損耗,驅(qū)動電路,電壓 電壓一定要使MOSFET完全導(dǎo)通（datasheet上查看），VGS要大于平臺電壓。如果MOSFET工作在橫流區(qū)，VDS會很大，器件消耗功率非常大， MOSFET將會燒毀。 電流 I=Q/T (Q：柵極總電荷，T：導(dǎo)通/截止時間） 上述公式假設(shè)電流（I）使用的是恒流源。如果使用MOSFET驅(qū)動器的峰值驅(qū)動電流來計算，將會產(chǎn)生一些誤差。 如驅(qū)動器在18V 時標稱電流為0.5A，則在12V 時，其峰值輸出電流將小于0.5A。選擇驅(qū)動器時，一般標稱電流要比實際電流大一倍,兩個MOSFET并聯(lián)時，所需驅(qū)動電流將增大,MOSFET 驅(qū)動器的功耗 1. PC=CG VDD F = QG V F CG = MOSFET柵極電容 VDD = MOSFET 驅(qū)動器電源電壓（V） F = 開關(guān)頻率 QG=柵極總電荷 2. PQ = (IQH D + IQL (1 - D ) VDD IQH = 驅(qū)動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流 D = 開關(guān)波形的占空比去 IQL = 驅(qū)動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流