MOSFET原理、功率MOS及其應(yīng)用ppt課件

MOSFET原理介紹與應(yīng)用,田毅,1,內(nèi)容,概述原理介紹低頻小信號(hào)放大電路功率MOSFET應(yīng)用,2,概述,MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)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(diǎn)具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點(diǎn)。在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到廣泛的應(yīng)用。,3,場(chǎng)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,4,1原理介紹,增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管,耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管,MOS場(chǎng)效應(yīng)管分類,5,MOS場(chǎng)效應(yīng)管,N溝道增強(qiáng)型的MOS管,P溝道增強(qiáng)型的MOS管,N溝道耗盡型的MOS管,P溝道耗盡型的MOS管,6,一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(dòng)畫五,7,當(dāng)VGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。當(dāng)VGS=VT時(shí),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(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理,增強(qiáng)型MOS管,-,-,-,-,當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論VDS之間加什么電壓都不會(huì)在D、S間形成電流iD,即iD0.,當(dāng)VGSVT時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進(jìn)一步增加。,開始時(shí)無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSVT時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管,動(dòng)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。,8,當(dāng)VGSVT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS的不同變化對(duì)導(dǎo)電溝道和漏極電流ID的影響。,VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDS,當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGDVT,此時(shí)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(qiáng)型MOS管,另一方面，漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用,9,當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，,當(dāng)VDS增加到VGDVT時(shí)，,增強(qiáng)型MOS管,這相當(dāng)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(shí)的漏極電流ID基本飽和。,此時(shí)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(duì)漏極電流ID的控制作用,VGD=VGSVDS,10,三、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線,增強(qiáng)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(dāng)vGS變化時(shí)，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū),恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時(shí)，iD基本不隨vDS變化而變化。,vGS/V,11,一、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管,+,耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道,12,耗盡型MOS管,二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理,當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流iD,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當(dāng)VGS0時(shí),將使iD進(jìn)一步增加。當(dāng)VGS0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對(duì)應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VP表示。,N溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS0N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在VGS0,13,耗盡型MOS管,三、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線,輸出特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線,14,各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,N溝道增強(qiáng)型,P溝道增強(qiáng)型,15,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,N溝道耗盡型,P溝道耗盡型,16,場(chǎng)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(dāng)VGS=VP時(shí),漏極電流為零。,3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,1.開啟電壓VT：MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)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107，絕緣柵:1091015。,5.漏源擊穿電壓V(BR)DS:使ID開始劇增時(shí)的VDS。,6.柵源擊穿電壓V(BR)GSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓,17,7.低頻跨導(dǎo)gm：反映了柵源壓對(duì)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,18,2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路,三種基本放大電路,FET小信號(hào)模型,19,為什么要設(shè)定一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn),無靜態(tài)工作點(diǎn)，小信號(hào)加到柵源端，管子不工作靜態(tài)管工作點(diǎn)設(shè)在輸入曲線接近直線段中點(diǎn)小信號(hào)模型參數(shù)與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān),如果靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在此處，信號(hào)放大后失真嚴(yán)重，并且信號(hào)稍大就會(huì)部分進(jìn)入截止區(qū),20,一、場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管,外加偏置電路：,適合增強(qiáng)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(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。RS越大，工作點(diǎn)越穩(wěn)定。,21,偏置電路,大電阻（M)，減小R1、R2對(duì)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,22,偏置電路,2、外加偏置電路,-IDRS,R1和R2提供一個(gè)固定柵壓,UGS=UG-US,注：要求UGUS，才能提供一個(gè)正偏壓，增強(qiáng)型管子才能正常工作,23,二、場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型,由輸出特性：,iD=f(vGS,vDS),24,三、三種基本放大電路,1、共源放大電路,（1）直流分析,25,基本放大電路,D,S,Ui,Uo,未接Cs時(shí),一般rds較大可忽略,=,-gmUgsRD,Ugs,+gmUgsRs,RD=RD/RL,（2）動(dòng)態(tài)分析,Ri=RG+(R1/R2),RG,RoRD,26,基本放大電路,未接Cs時(shí),Ri=RG+(R1/R2),RG,RoRD,接入Cs時(shí),AU=-gm(rds/RD/RL),Ri=RG+(R1/R2),RG,Ro=RD/rdsRD,Rs的作用是提供直流柵源電壓、引入直流負(fù)反饋來穩(wěn)定工作點(diǎn)。但它對(duì)交流也起負(fù)反饋?zhàn)饔?，使放大倍?shù)降低。接入CS可以消除RS對(duì)交流的負(fù)反饋?zhàn)饔谩?27,基本放大電路,2、共漏放大電路,Ui,Uo,=,gmUgsRS,Ugs,+gmUgsRs,RS=rds/RS/RLRS/RL,1,AU1,ri=RG,電壓增益,輸入電阻,28,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,29,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=-IdRD,Ugs=-Ui,Id=-gmUi+(-IdRD-Ui)/rds,AUgmRD,輸入電阻,ri=Ui/Id,rdsRDgmrds1,ri1/gm,riRs/1/gm,30,基本放大電路,電壓增益,AUgmRD,輸入電阻,ri1/gm,riRs/1/gm,輸出電阻,ro=rds,ro=rds/RDRD,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,31,組態(tài)對(duì)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,32,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三種基本放大電路的性能比較,33,功率MOSFET,結(jié)構(gòu)功率MOSFET開關(guān)過程功率損耗驅(qū)動(dòng)電路參數(shù),34,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?yàn)镾ource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(duì)面，這樣設(shè)計(jì)Source的應(yīng)用空間會(huì)更多。當(dāng)Source與Drain間的距離減小，額定的Ids就會(huì)增加，同時(shí)也會(huì)增加額定電壓值。垂直通道型又可分為：VMOS、DMOS、UMOS.,35,a、在gate區(qū)有一個(gè)V型凹槽，這種設(shè)計(jì)會(huì)有制造上的穩(wěn)定問題，同時(shí)，在V型槽的尖端也會(huì)產(chǎn)生很高的電場(chǎng)，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(gè)U型槽。與VMOS和DMOS相比，這種設(shè)計(jì)會(huì)有很高的通道濃度，可以減小導(dǎo)通電阻。,b、雙擴(kuò)散,36,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(dāng)BJT開啟時(shí)擊穿電壓由BVCBO變成BVCEO（只有BVCBO的50%到60%），這種情況下，當(dāng)漏極電壓超過BVCEO時(shí)，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)，以防止寄生BJT的開啟。在高速開關(guān)狀態(tài)，B、E間會(huì)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）,37,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(huì)發(fā)生變化，CGD受開關(guān)過程的影響和他本身的變化對(duì)開關(guān)過程的影響都最為顯著。,38,MOSFET導(dǎo)通過程,39,4個(gè)過程充電等效電路,40,t0t1：t0時(shí)刻給功率MOSFET加上理想開通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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：MOSFET工作于恒流區(qū)，ID隨著VGS快速線性增大，ID在負(fù)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。,41,T2T3：T2時(shí)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(shí)刻)。在此過程中，一方面CGD本身很大，另一方面K絕對(duì)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(tái)的出現(xiàn)，柵極電流幾乎全部注入CGD，使VDS下降。,T3T4：T3時(shí)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(shí)對(duì)CGS和CGD充電，柵極平臺(tái)消失,柵源電壓不斷上升直至接近驅(qū)動(dòng)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(shí)刻以后M0SFET進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài),42,密勒效應(yīng),密勒效應(yīng)（Millereffect）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(huì)擴(kuò)大1+K倍，其中K是該級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)。對(duì)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。,43,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)/1.14W110W,44,靜態(tài)電特性,45,動(dòng)態(tài)電特性,E:MOSFETNAO4448L.pdf,46,功率損耗,1、傳導(dǎo)損耗P1=IDRDS(on)D其中RDS(on)是結(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)，可以通過on-resistancevs.temperature查找各溫度下的RDS(on)值RDS(on)隨溫度升高變大，因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ倪w移率溫度越高越小。,T是絕對(duì)溫度,2、開關(guān)損耗P2=1/2VinID(Ton+Toff)fs,總損耗=傳導(dǎo)損耗+開關(guān)損耗,47,驅(qū)動(dòng)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(tái)電壓。如果MOSFET工作在橫流區(qū)，VDS會(huì)很大，器件消耗功率非常大，MOSFET將會(huì)燒毀。電流I=Q/T(Q：柵極總電荷，T：導(dǎo)通/截止時(shí)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(dòng)器的峰值驅(qū)動(dòng)電流來計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生一些誤差。如驅(qū)動(dòng)器在18V時(shí)標(biāo)稱電流為0.5A，則在12V時(shí)，其峰值輸出電流將小于0.5A。選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)，一般標(biāo)稱電流要比實(shí)際電流大一倍,兩個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)電流將增大,48,MOSFET驅(qū)動(dòng)器的功耗1.PC=CGVDDF=QGVFCG=MOSFET柵極電容VDD=MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源電壓（V）F=開關(guān)頻率QG=柵極總電荷2.PQ=(IQHD+IQL(1-D)VDDIQH=驅(qū)動(dòng)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(dòng)器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流3.PS=CCFVD