MOS基本原理及驅(qū)動技術(shù)

1、 MOS結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動技術(shù)1 1 MOSMOS場效應(yīng)管基本知識場效應(yīng)管基本知識2 2 基本數(shù)學(xué)方程基本數(shù)學(xué)方程3 3 LCLC暫態(tài)過程暫態(tài)過程4 4 MOS MOS數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 空穴空穴+N型半導(dǎo)體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對電子空穴對一、一、MOSMOS場效應(yīng)管基本知場效應(yīng)管基本知識識 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭昭ㄅ鹪优鹪庸柙庸柙?4+4+4+4+4+4

2、+3+4+4多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子受主離子空穴空穴電子空穴對電子空穴對P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體MOS場效應(yīng)管 BJT是一種電流控制元件是一種電流控制元件(iB iC)，工作時，多數(shù)載流子和，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道FET分類：分類： 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 場效應(yīng)管（場效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡稱簡稱FET）是一種

3、電壓控）是一種電壓控制器件制器件(uGS iD) ，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。是單極型器件。 FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。絕緣柵場效應(yīng)三極管 金屬氧化物半導(dǎo)體金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管場效應(yīng)管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱，簡稱MOSFET。分為：分為： 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道 1.1.N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型M

4、OS管管 （1 1）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 4個電極：漏極個電極：漏極D，源極源極S，柵極，柵極G和和 襯底襯底B。-gsdb符號：符號：-N+NP襯底sgdb源極柵極漏極襯底 當(dāng)當(dāng)uGS0V時時縱向電場縱向電場將靠近柵極下方的空穴向?qū)⒖拷鼥艠O下方的空穴向下排斥下排斥耗盡層。耗盡層。（2 2）工作原理）工作原理 當(dāng)當(dāng)uGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的 二極管，在二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。 再增加再增加uGS縱向電場縱向電場將將P區(qū)少子電子聚集到區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，形成導(dǎo)電溝道，如果

5、此時加有漏源電壓，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流就可以形成漏極電流id。柵源電壓柵源電壓uGS的控制作用的控制作用-P襯底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid 2.N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET特點：特點： 當(dāng)當(dāng)uGS=0時，就有溝道，時，就有溝道，加入加入uDS，就有就有iD。 當(dāng)當(dāng)uGS0時，溝道增寬，時，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。進(jìn)一步增加。 當(dāng)當(dāng)uGS0時，溝道變窄，時，溝道變窄，iD減小。減小。 在柵極下方的在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出

6、反型層，形成了溝道。時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。 定義：定義： 夾斷電壓（夾斷電壓（ UP）溝道剛剛消失所需的柵源電壓溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。-g漏極s+N襯底P襯底源極d柵極bN+ +-sbgd3 3 . .場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)(1) 開啟電壓開啟電壓UT UT 是是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管不場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。能導(dǎo)通。 （2）夾斷電壓）夾斷電壓UP UP 是是MOS耗盡型和結(jié)型耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)?shù)膮?shù)，當(dāng)uGS=UP時時,漏極電流為零。漏極電流為零。 （

7、3）飽和漏極電流）飽和漏極電流IDSS MOS耗盡型和結(jié)型耗盡型和結(jié)型FET, 當(dāng)當(dāng)uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。時所對應(yīng)的漏極電流。 （4）輸入電阻）輸入電阻RGS 結(jié)型場效應(yīng)管，結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于大于107，MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管, RGS可達(dá)可達(dá)1091015。（5） 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm gm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子毫西門子)。（6） 最大漏極功耗最大漏極功耗PDM PDM= UDS ID，與雙極型三極管的，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。相當(dāng)。等效電路OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài)小信號模型分析法小信號模型分析法

8、 在開關(guān)電源設(shè)計中，用高頻模型分析二、基本數(shù)學(xué)方程二、基本數(shù)學(xué)方程xixeixsincos 很偉大的一個公式！RCtptcccKeKetuRCpRCpudtduRC)(1010基本的高數(shù)公式，一階其次方程求解。帶入初始條件，確定K值。RCtcceUtuUKUu000)()0(0)(dddddd01111ttexatxatxatxannnnnn0)(dddd01222ttexatxatxa二階電路中有二個動態(tài)元件二階電路中有二個動態(tài)元件, ,描述電路的方程是二階線性描述電路的方程是二階線性微分方程。微分方程。一般一般LCLC電路就可以使用該方程求解。電路就可以使用該方程求解。電路中有多個動態(tài)元件

9、，描述電路的方程是高階微分方電路中有多個動態(tài)元件，描述電路的方程是高階微分方程。程。三、三、R R、L L、C C暫態(tài)過程暫態(tài)過程1.1.RC電路的零輸入響應(yīng)電路的零輸入響應(yīng)iS(t=0)+uRC+uCR已知已知 uC (0)=U0 uR= RituCiCdd0CRuu0)0(0ddUuutuRCCCC0 0teUuRCtc000teIeRURuiRCtRCtC2 2. .RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路的零狀態(tài)響應(yīng)iS(t=0)US+uRC+uCRuC (0)=0+SCCddUutuRCCCCuuu 解答形式為：解答形式為：特解（強(qiáng)制分量）特解（強(qiáng)制分量）Cu的特解的特解SCCddUutuRCSCU

10、u通解（暫態(tài)分量）通解（暫態(tài)分量）Cu 的通解的通解0ddCCutuRCRCtAeu C) 0( )1 ( S SSCteUeUUuRCtRCtRCteRUtuCiSCdd3 3. . RL電路的零輸入響應(yīng)電路的零輸入響應(yīng)iLS(t=0)USL+uLRR1+-01)0 ()0 (IRRUiiSLL00ddLLtRitiL0) (00LteIeItitLRptRLtLLeRItiLtu/ 0)(ddtiLtuLLdd)(基本關(guān)系基本關(guān)系tuCtiCdd)(4 4. . RL電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路的零狀態(tài)響應(yīng))1 (SLtLReRUiiLS(t=0)US+uRL+uLR+SLLUiRtiLddLLL

11、iii RUiSLA0)0 (tLRLAeRUiStLReUtiLuSLLddteftf)(f)0()(f)(三要素法分析一階電路三要素法分析一階電路5 5. . 二階電路的響應(yīng)二階電路的響應(yīng)零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，放電過程。放電過程。零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無電壓，零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無電壓，充電過程。充電過程。初始：uC(0+)=U0 i(0+)=0以電容電壓為變量：以電容電壓為變量：電路方程：電路方程：以電感電流為變量：以電感電流為變量：RLC+-iuc0CLuuRitiLutuCiLCdddd 02CCCutuRCtuLCdddd02

12、itiRCtiLCdddd012 RCPLCP特征方程：特征方程：零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，放電過程。零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，放電過程。零狀態(tài)響應(yīng)的三種情況零狀態(tài)響應(yīng)的三種情況過阻尼過阻尼臨界阻尼臨界阻尼欠阻尼欠阻尼特征根：特征根：LCLRLRLCLRRP1)2(22/422二二個個不不等等負(fù)負(fù)實實根根 2CLR 二二個個相相等等負(fù)負(fù)實實根根 2CLR 二二個個共共軛軛復(fù)復(fù)根根 2CLR 2121CttppeAeAu 2 ) 1 ( CLR0210C)0 (UAAUu02211)0(APAPtuCdd0121201221UPPPAUPPPA)(2112120ttCPePPeP

13、PPUu)()(21120CttcpepePPLUtuCidd)()(2121120ttLpePpePPPUtiLuddU0uctm2tmuLicuc 的解答形式：的解答形式：經(jīng)常寫為：經(jīng)常寫為：)sin( tAeutC共軛復(fù)根共軛復(fù)根 2 )2( CLR LCLRLRP1)2(222,1( (諧諧振振角角頻頻率率) ) ( (衰衰減減系系數(shù)數(shù)) ), ,令令 1 20LCLR： 220(固有振蕩角頻率)(固有振蕩角頻率) jP )( 21)(2121tjtjttptpCeAeAeeAeAu0cossin)(0)0(sin)0(00AAdtduUAUuCC由由初初始始條條件件 )sin( 00

14、teUutC )sin( 00teUutCarctgUA， sin00，的的關(guān)系關(guān)系0sin00UA( (諧諧振振角角頻頻率率) ) ( (衰衰減減系系數(shù)數(shù)) ), ,令令 1 20LCLR： 220(固有振蕩角頻率)(固有振蕩角頻率)2 2 2220fft-2- 20U0uC iC零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無電壓，充電過程。零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無電壓，充電過程。uC(0)=0 , iL(0)=0微分方程為：微分方程為：通解通解特解特解特解特解: : 特征方程為特征方程為:RLC+-uCiLUS (t)+-CCCuuu S2dddd UutuRCtuLCCCC012 RCPLCPSCUu

15、)( 2121S21pppeApeAUuttC) ( 21 2 1SPPteAeAUuttC)( )sin(21 SjPtAeUutC、tuCUS0四、四、MOSMOS數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型MOSMOS等效驅(qū)動電路等效驅(qū)動電路模型模型：相當(dāng)于一個二階響應(yīng)電路。相當(dāng)于一個二階響應(yīng)電路。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:31-Aug-2007Sheet of File:E:workTEMP仿真仿真仿真.DdbDrawn By:QLRgCgsDRIVEVCC12VL L為為PCB走線電感，根據(jù)他人經(jīng)驗其值為直走線走線電感，根據(jù)他人經(jīng)驗其值為直

16、走線1nH/mm，考慮其他走線因素，取考慮其他走線因素，取L=Length+10（nH），其中），其中Length單位取單位取mm。RgRg為柵極驅(qū)動電阻，設(shè)驅(qū)動信號為為柵極驅(qū)動電阻，設(shè)驅(qū)動信號為12V峰值的方波。峰值的方波。CgsCgs為為MOSFET柵源極電容，不同的管子及不同的驅(qū)動?xùn)旁礃O電容，不同的管子及不同的驅(qū)動電壓時會不一樣，這兒取電壓時會不一樣，這兒取1nF。VL+VRg+VCgs=12VVL+VRg+VCgs=12V令驅(qū)動電流令驅(qū)動電流得到關(guān)于得到關(guān)于Cgs上的驅(qū)動電壓微分方程：上的驅(qū)動電壓微分方程：L C2t2( )VCgs tCt( )VCgs tR( )VCgs tVdr0

17、拉普拉斯變換得到變換函數(shù)拉普拉斯變換得到變換函數(shù))1(2LCLsRsLCVdrGg不同實根時是個過阻尼震蕩，有兩個相同實根時是臨界阻尼震蕩，當(dāng)有虛根時不同實根時是個過阻尼震蕩，有兩個相同實根時是臨界阻尼震蕩，當(dāng)有虛根時是欠阻尼震蕩，此時會在是欠阻尼震蕩，此時會在MOSFET柵極產(chǎn)生上下震蕩的波形，這是我們不希望看柵極產(chǎn)生上下震蕩的波形，這是我們不希望看到的，因此柵極電阻到的，因此柵極電阻Rg阻值的選擇要使其工作在臨界阻尼和過阻尼狀態(tài)，考慮到阻值的選擇要使其工作在臨界阻尼和過阻尼狀態(tài)，考慮到參數(shù)誤差實際上都是工作在過阻尼狀態(tài)。參數(shù)誤差實際上都是工作在過阻尼狀態(tài)。)1(2LCLsRsLCsVdrG

18、g二二個個不不等等負(fù)負(fù)實實根根 2CLR 動態(tài)工作的時候動態(tài)工作的時候MOSMOS等效驅(qū)動電等效驅(qū)動電路路模型模型：依然可以用二階響應(yīng)依然可以用二階響應(yīng)電路來分析。電路來分析。（1 1）L LG G和和L LG G代表封裝端到實際的代表封裝端到實際的柵極線路的電感和電阻。柵極線路的電感和電阻。 （2 2）C C1 1代表從柵極到源端代表從柵極到源端N+N+間的間的電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。 （3 3）C2+C4C2+C4代表從柵極到源極代表從柵極到源極P P區(qū)區(qū)間的電容。間的電容。C C2 2是電介質(zhì)電容，共值是電介質(zhì)電容，共值是固定的。而是固定的。而C4C4

19、是由源極到漏極是由源極到漏極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓從從0 0升到開啟電壓升到開啟電壓U UGSGS（thth）時，時，C C4 4使使整個柵源電容增加整個柵源電容增加10%10%15%15%。 （4 4）C C3 3+C+C5 5是由一個固定大是由一個固定大小的電介質(zhì)電容和一個可變小的電介質(zhì)電容和一個可變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變極性時，其可變電容值變得極性時，其可變電容值變得相當(dāng)大。相當(dāng)大。 （5 5）C C6 6是隨漏極電壓變換的是隨漏極電壓變換的漏源電容。漏源電容。 柵極電荷柵

20、極電荷QG是使柵極電壓從是使柵極電壓從0升到升到10V所需的柵極電荷，它可以表示所需的柵極電荷，它可以表示為驅(qū)動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現(xiàn)在大部為驅(qū)動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積?，F(xiàn)在大部分分MOS管的柵極電荷管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。 柵極電荷柵極電荷QG包含了兩個部分：柵極到源極電荷包含了兩個部分：柵極到源極電荷QGS；柵極到漏極電；柵極到漏極電荷荷QGD即即“Miller”電荷。電荷。QGS是使柵極電壓從是使柵極電壓從0升到門限值（約升到門限值（約3V）所）所需電荷；需電荷；QGD是漏極電壓下

21、降時克服是漏極電壓下降時克服“Miller”效應(yīng)所需電荷，這存在于效應(yīng)所需電荷，這存在于UGS曲線比較平坦的第二段曲線比較平坦的第二段，此時柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極，此時柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降，也就是在這時候需要驅(qū)動尖峰電流限。實際的電壓急聚下降，也就是在這時候需要驅(qū)動尖峰電流限。實際的QG還可以還可以略大，以減小等效略大，以減小等效RON，但是太大也無益，所以，但是太大也無益，所以10V到到12V的驅(qū)動電壓是的驅(qū)動電壓是比較合理的。比較合理的。 在尾部在尾部需要一個高的尖峰電流以減小需要一個高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時間。管損耗和轉(zhuǎn)換時間。柵極電荷柵極電荷QG和驅(qū)動效果的關(guān)系和驅(qū)動效果的關(guān)系)(5 . 22)(5 . 22)()()()(thGDDossMDthGissondthGDDossMDthGissGondGUUCgIUCtIUUCgIUCQtIQ柵極尖峰電流柵極尖峰電流Id的計算：電荷必須完全滿足開關(guān)時期的寄生電的計算：電荷必須完全滿足開關(guān)時期的寄生電容所需容所需。實際實際柵極柵極平均平均電流