MOSFET原理、功率MOS与应用.ppt

MOSFET原理介绍与应用田毅内容v概述v原理介绍v低频小信号放大电路v功率MOSFETv应用概述vMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）金属-氧化层-半导体-场效应晶体管 v v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v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。v在大规模及超大规模集成电路中得到广泛的应用。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）耗尽型耗尽型增强型增强型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，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，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：从半导体从半导体从半导体从半导体导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道类型上分类型上分类型上分类型上分从有无原始导从有无原始导从有无原始导从有无原始导电沟道上分电沟道上分电沟道上分电沟道上分从结构上分从结构上分从结构上分从结构上分MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)增强型增强型MOS场效应管场效应管耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管MOS场效应管分类场效应管分类1 MOS场效应管场效应管MOSMOS场效应管场效应管N沟道增强型的沟道增强型的MOS管管P沟道增强型的沟道增强型的MOS管管N沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOS管管P沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOS管管1 MOS场效应管场效应管一、一、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构增强型增强型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G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属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 当当VGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬型衬底表面形成一层底表面形成一层耗尽层耗尽层，但负离，但负离子不能导电。子不能导电。当当VGS=VT时时,在在P型衬底表面型衬底表面形成一层形成一层电子层电子层，形成，形成N型导电型导电沟道，在沟道，在VDS的作用下形成的作用下形成iD。二、二、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管工作原理场效应管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，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的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，沟道沟道加厚，沟道电阻减少，电阻减少，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时才形成沟时才形成沟道道,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。当当V VGSGSV VT T，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压V VDSDS的的不同变化对导电沟道和漏极电流不同变化对导电沟道和漏极电流I ID D的影响。的影响。VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当当V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时，相当相当 V VGDGDV VT T,此时此时V VDSDS 基本均匀降基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分落在沟道中，沟道呈斜线分布。在布。在V VDSDS作用下形成作用下形成I ID D增强型增强型MOSMOS管管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当当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，时，当当VDS增加到增加到VGD VT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 这相当于这相当于V VDSDS增加使漏极处沟道缩减增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此。此时的时的漏极电流漏极电流I ID D 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三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管i iD D=f f(v vGSGS)v vDSDS=C=C 转移特性曲线转移特性曲线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基本不基本不随随v vDSDS变化而变化。变化而变化。vGS/V一、一、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道1 MOS场效应管场效应管耗尽型耗尽型MOSMOS管管二、二、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，产加正向电压，产生漏极电流生漏极电流iD,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，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的减小漏的减小漏极电流逐渐极电流逐渐减小减小，直至，直至iD=0，对应，对应iD=0的的VGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，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耗尽型耗尽型MOSMOS管管三、三、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线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各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线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1 MOS场效应管场效应管绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型1 MOS场效应管场效应管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，当的参数，当VGS=VP 时时,漏极电流漏极电流为零。为零。3.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1.开启电压开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启增强型管的参数，栅源电压小于开启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RGS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅与流过栅极电流极电流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7.低频跨导低频跨导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。1 MOS场效应管场效应管8.输出电阻输出电阻rds9.极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容场效应管偏置电路场效应管偏置电路三种基本放大电路三种基本放大电路2 场效应场效应管放大电管放大电路路FETFET小信号模型小信号模型为什么要设定一个静态工作点v无静态工作点，小信号加到栅源端，管子不工作v静态管工作点设在输入曲线接近直线段中点v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2 场效应场效应管放大电管放大电路路一、场效应管偏置电路一、场效应管偏置电路1 1、自给偏置电路、自给偏置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自给偏置电路：自给偏置电路：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-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自给偏置电路基本自给偏置电路2 场效应场效应管放大电管放大电路路 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.提供直流负提供直流负反馈，稳定静态工作点。反馈，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。偏置电路偏置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对放大电对放大电路输入电阻的影响路输入电阻的影响UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)2 场效应场效应管放大电管放大电路路1 1、自给偏置电路、自给偏置电路R1R2提供一个提供一个正偏栅压正偏栅压UG偏置电路偏置电路2 2、外加偏置电路、外加偏置电路-IDRSR1和和R2提供一个固定栅压提供一个固定栅压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 场效应场效应管放大电管放大电路路二、场效应管的低频二、场效应管的低频小信号模型小信号模型 iD由输出特性：由输出特性：iD=f(vGS,vDS)2 场效应场效应管放大电管放大电路路SDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs三、三种基本放大电路三、三种基本放大电路1 1、共源放大电路、共源放大电路（1）直流分析直流分析UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)2 场效应场效应管放大电管放大电路路基本放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUiUo未接未接Cs时时一般一般rds较大可忽略较大可忽略=-gmUgsRDUgs+gmUgsRs=-gmRD1+gmRsRD=RD/RL（2）动态分析动态分析Ri=RG+(R1/R2)RG Ro RDRiRo基本放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时=-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、引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，使放大倍对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入数降低。接入C CS S可以消除可以消除R RS S对交流对交流的负反馈作用。的负反馈作用。ri基本放大电路基本放大电路2 2、共漏放大电路、共漏放大电路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSD=gmUgsRSUgs+gmUgsRs=gmRS1+gmRsRS=rds/RS/RL RS/RL1AU1ri=RGUgs+-电压增益电压增益输入电阻输入电阻2 场效应场效应管放大电管放大电路路基本放大电路基本放大电路输出电阻输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-gmUgsUgs=-Uo=Uo(1/Rs+gm)=gmRS1+gmRs电压增益电压增益ri=RG输入电阻输入电阻2 场效应场效应管放大电管放大电路路2 2、共漏放大电路、共漏放大电路基本放大电路基本放大电路3 3、共栅放大电路、共栅放大电路SGDrdsgmUgsSGD电压增益电压增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo=-IdRDUgs=-UiId=-gmUi+(-IdRD-Ui)/rds当当rdsRD时时AU gmRDri输入电阻输入电阻ri=Ui/IdrdsRDgmrds1ri 1/gmririRs/1/gm2 场效应场效应管放大电管放大电路路基本放大电路基本放大电路电压增益电压增益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，输出电阻高，输出电压与输电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相入电压同相2 场效应场效应管放大电管放大电路路3 3、共栅放大电路、共栅放大电路组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：2 场效应场效应管放大电管放大电路路三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较输出电阻：输出电阻：BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：2 场效应场效应管放大电管放大电路路三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较功率MOSFETv结构v功率MOSFET开关过程v功率损耗v驱动电路v参数功率MOS结构v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。v 垂直通道型：指Drain和Source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.va、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。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，可以减小导通电阻。vb、双扩散v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。v寄生二极管：源极与衬底短接，形成寄生二极管（体二极管）MOSFET开关过程等效电路v输入电容：CiSS=CGS+CGDv输出电容：COSS=CGD+CDSv反向传输电容：CrSS=CGD v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。CGDVDSVDS=VGSMOSFET导通过程4个过程充电等效电路vt0t1：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。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。vT2T3：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。vT3T4：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进入完全导通状态密勒效应密勒效应v密勒效应密勒效应（Miller effect）是在电子学中，反相放大电路中，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。v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。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静态电特性 动态电特性 E:MOSFETNAO4448L.pdf功率损耗1、传导损耗vP1=IDRDS(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 vRDS(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v P2=1/2VinID(Ton+Toff)fs总损耗=传导损耗+开关损耗驱动电路v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。v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，将会产生一些误差。v如驱动器在18V 时标称电流为0.5A，则在12V 时，其峰值输出电流将小于0.5A。选择驱动器时，一般标称电流要比实际电流大一倍两个MOSFET并联时，所需驱动电流将增大vMOSFET 驱动器的功耗 1.PC=CG VDD F=QG V F CG=MOSFET栅极电容 VDD=MOSFET 驱动器电源电压（V）F=开关频率 QG=栅极总电荷 2.PQ=(IQH D+IQL (1-D)VDD IQH=驱动器输入为高电平状态的静态电流 D=开关波形的占空比去 IQL=驱动器输入为低电平状态的静态电流 3.PS=CC F VDD CC=交越常数（A*sec）其它vMOS漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，一般集成电路中 没有。vMOSFET的S极和衬底连接，所以S、D不能互换vMOSFET 的频率理论上可以做到1MHz，应用范围比较多的频率段应该为几百KHz左右。v如果高效率是最需要达到的重要参数，则低开关频率是最佳选择。高开关频率的优势是能够获得较低的 直流电流和电压纹波，更小的电感或更少的输出电容就意味着更低的成本v在开关电源低高端一般都用N-MOS，少用P-MOS。MOSFET应用v开关作用显卡电源converterinverter谢谢！谢谢 谢！谢！放映结束 感谢各位批评指导！让我们共同进步