MOSFET原理功率MOS及其應(yīng)用PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1MOSFET原理功率原理功率MOS及其應(yīng)用及其應(yīng)用第1頁(yè)/共55頁(yè)電壓控制電流型器件（電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)）電壓控制電流型器件（電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)）單極型器件（只有一種載流子，單極型器件（只有一種載流子，N N：電子，：電子，P P：空穴：空穴）第2頁(yè)/共55頁(yè)耗盡耗盡型型增強(qiáng)增強(qiáng)型型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N溝道溝道（耗盡型（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型耗盡型耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在在增強(qiáng)型增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管

2、的分類(lèi)：場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)：MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)第3頁(yè)/共55頁(yè)增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管耗盡型耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第4頁(yè)/共55頁(yè)MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型的溝道增強(qiáng)型的MOS管管P溝道增強(qiáng)型的溝道增強(qiáng)型的MOS管管N溝道耗盡型的溝道耗盡型的MOS管管P溝道耗盡型的溝道耗盡型的MOS管管1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第5頁(yè)/共55頁(yè)一、一、N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管漏極漏極D集電極集電極C源極源極S發(fā)射極發(fā)射極E絕緣柵

3、極絕緣柵極G基極基極B襯底襯底B電極電極金屬金屬絕緣層絕緣層氧化物氧化物基體基體半導(dǎo)體半導(dǎo)體因此稱(chēng)之為因此稱(chēng)之為MOS管管1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管動(dòng)畫(huà)五第6頁(yè)/共55頁(yè) 當(dāng)當(dāng)VGS較小較小時(shí)，雖然在時(shí)，雖然在P型襯型襯底表面形成一層底表面形成一層耗盡層耗盡層，但負(fù)，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。離子不能導(dǎo)電。 當(dāng)當(dāng)VGS=VT時(shí)時(shí), 在在P型襯底表面型襯底表面形成一層形成一層電子層電子層，形成，形成N型導(dǎo)電型導(dǎo)電溝道，在溝道，在VDS的作用下形成的作用下形成iD。二、二、N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理場(chǎng)效應(yīng)管工作原理增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管管VDSiD+ +- -+-+- -

4、-VGS反型層反型層 當(dāng)當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論結(jié)，無(wú)論VDS之間加什么電壓都不會(huì)在之間加什么電壓都不會(huì)在D、S間形成電流間形成電流iD,即即iD0. 當(dāng)當(dāng)VGSVT時(shí)時(shí), 溝道加厚，溝溝道加厚，溝道電阻減少，道電阻減少，在相同在相同VDS的作用的作用下，下，iD將進(jìn)一步增加。將進(jìn)一步增加。開(kāi)始時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道，當(dāng)在開(kāi)始時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGS VT時(shí)才形成溝時(shí)才形成溝道道, ,這種類(lèi)型的管子稱(chēng)為這種類(lèi)型的管子稱(chēng)為增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管管動(dòng)畫(huà)六一一方方面面 MOSFETMOSFET是利用柵源電壓是利用柵源電壓的大小，來(lái)改變半導(dǎo)體表的大小

5、，來(lái)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。控制漏極電流的大小。第7頁(yè)/共55頁(yè)VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 當(dāng)當(dāng)V VDSDS為為0 0或較小時(shí)，或較小時(shí)，相當(dāng)相當(dāng) V VGDGDV VT T , ,此時(shí)此時(shí)V VDSDS 基本均勻基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在分布。在V VDSDS作用下形成作用下形成I ID D增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管管1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管另一方面另一方面，漏源電壓漏源電壓V VDSDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流I ID D的控制作用的控制作用第8頁(yè)/共55頁(yè)當(dāng)當(dāng)VDS增

6、加到使增加到使VGD=VT時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)VDS增加到增加到VGD VT時(shí)，時(shí)，增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管管 這相當(dāng)于這相當(dāng)于V VDSDS增加使漏極處溝道縮增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)為減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。此時(shí)的此時(shí)的漏極電流漏極電流I ID D 基本飽和?；撅柡汀?此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S S極極。 V VDSDS增加的部分基本降落在隨之增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，加長(zhǎng)的夾斷溝道上， I ID D基本趨于不基本趨于不變。變。1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管另一方面另一方面，漏源電壓漏源電壓V VDSDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流I I

7、D D的控制作用的控制作用VGD=VGSVDS第9頁(yè)/共55頁(yè)三、三、N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管管i iD D= =f f( (v vGSGS) ) v vDSDS=C =C 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線i iD D= =f f( (v vDSDS) ) v vGSGS=C =C 輸出特性曲線輸出特性曲線vDS(V)iD(mA)當(dāng)當(dāng)v vGSGS變化時(shí)，變化時(shí)，R RONON將將隨之變化，因此稱(chēng)隨之變化，因此稱(chēng)之為之為可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)( (飽和區(qū)飽和區(qū)) )：v vGSGS一定時(shí)，一定時(shí)，i iD D基本基本不隨

8、不隨v vDSDS變化而變化變化而變化。vGS/VDTGSDTGSTGSDDiVvIVvVvIi時(shí)的是2)() 1(020第10頁(yè)/共55頁(yè)一、一、N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)耗盡型耗盡型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管+ + + + + + + 耗盡型耗盡型MOS管存在管存在原始導(dǎo)電溝道原始導(dǎo)電溝道1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第11頁(yè)/共55頁(yè)耗盡型耗盡型MOSMOS管管二、二、N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理場(chǎng)效應(yīng)管工作原理 當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，時(shí)，VDS加正向電壓，加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流產(chǎn)生漏極電流iD,此時(shí)的漏極電流稱(chēng)此時(shí)的漏極電流稱(chēng)為

9、為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用IDSS表示。表示。 當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)時(shí),將使將使iD進(jìn)一步增加。進(jìn)一步增加。 當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)，隨著時(shí)，隨著VGS的減小漏的減小漏極電流逐漸極電流逐漸減小減小，直至，直至iD=0，對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)iD=0的的VGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)VP表示。表示。VGS(V)iD(mA)VP1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS管可工作在管可工作在V VGSGS 0 0或或V VGSGS0 0 N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管只能工作在管只能工作在V VGSGS00第12頁(yè)/共55頁(yè)耗盡型耗盡型MOSMOS管管三、三、N N溝道

10、溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管VGS(V)iD(mA)VP轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線第13頁(yè)/共55頁(yè)各類(lèi)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線各類(lèi)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1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第14頁(yè)/共55頁(yè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第15頁(yè)/共55頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)2. 夾斷電壓夾斷電壓VP：是耗盡型：是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)?shù)膮?shù)，當(dāng)VGS=VP 時(shí)時(shí),漏極電流漏極電流為零。為零。3. 飽和漏極電流飽和漏極電流I

11、DSS 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)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。時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。1. 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓VT：MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管4. 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS:柵源間所加的恒定電壓柵源間所加的恒定電壓VGS與流過(guò)柵與流過(guò)柵極電流極電流IGS之比。結(jié)型之比。結(jié)型:大于大于107，絕緣柵，絕緣柵:1091015。5. 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓V(BR)DS: 使使ID開(kāi)始劇增時(shí)的開(kāi)始劇增時(shí)的VDS。6.柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓V(BR)

12、GSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓MOS：使：使SiO2絕緣層擊穿的電壓絕緣層擊穿的電壓第16頁(yè)/共55頁(yè)7. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm ：反映了柵源壓對(duì)漏極電流的控制作用。：反映了柵源壓對(duì)漏極電流的控制作用。CVGSDmDSdvdig1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管8. 輸出電阻輸出電阻rdsCVDDSdGSdidvrs9. 極間電容極間電容Cgs柵極與源極間電容柵極與源極間電容Cgd 柵極與漏極間電容柵極與漏極間電容Csd 源極與漏極間電容源極與漏極間電容第17頁(yè)/共55頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路三種基本放大電路三種基本放大電路2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管

13、放大電路路FETFET小信號(hào)模型小信號(hào)模型第18頁(yè)/共55頁(yè)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)2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路第19頁(yè)/共55頁(yè)一、場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路一、場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路1 1、自給偏置電路、自給偏置電路場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路的場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路的關(guān)鍵關(guān)鍵是如何是如何提供柵源控制電壓提供柵源控制電壓UGS自給偏置電路：自給偏置電路：適合結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型適合結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管管外加偏置電路：外加偏置電路：適合增強(qiáng)型適合增強(qiáng)型MOS管管UGS = UG-US= -ISRS -IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUD

14、SQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自給偏置電路基本自給偏置電路2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路 R RS S的作用：的作用：1.1.提供柵源直流偏壓。提供柵源直流偏壓。2.2.提供直流負(fù)提供直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。R RS S越大，工作點(diǎn)越穩(wěn)定。越大，工作點(diǎn)越穩(wěn)定。第20頁(yè)/共55頁(yè)偏置電路偏置電路改進(jìn)型自給偏置電路改進(jìn)型自給偏置電路大電阻（大電阻（M )，減小減小R1、R2對(duì)放大電對(duì)放大電路輸入電阻的影響路輸入電阻的影響D212GERRRUUGS = UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D

15、212ERRR2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路1 1、自給偏置電路、自給偏置電路R1R2提供一個(gè)提供一個(gè)正偏柵壓正偏柵壓UG第21頁(yè)/共55頁(yè)偏置電路偏置電路2 2、外加偏置電路、外加偏置電路D212GERRRU-IDRSD212ERRRR1和和R2提供一個(gè)固定柵壓提供一個(gè)固定柵壓UGS = UG-US注：要求注：要求UGUS，才能提供一個(gè)正偏壓，增強(qiáng)型管子才，才能提供一個(gè)正偏壓，增強(qiáng)型管子才能能 正常工作正常工作2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路第22頁(yè)/共55頁(yè)二、場(chǎng)效應(yīng)管的低頻二、場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型小信號(hào)模型 iD由輸出特性：由輸出特性：iD=f(vGS,vDS)DS0vDS

16、DGS0vGSDDvvivviiGSDSDSGSDvvidsmgg2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路dsgsdvvidsmggSDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs第23頁(yè)/共55頁(yè)三、三種基本放大電路三、三種基本放大電路1 1、共源放大電路、共源放大電路（1） 直流分析直流分析UGS = UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路第24頁(yè)/共55頁(yè)基本放大電路基本放大電路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUiUo未接未接Cs時(shí)時(shí)一般一般rds較大可忽略較大

17、可忽略ioUUUA=- gmUgsRDUgs+ gmUgsRs=- gmRD1 + gmRsRD=RD/RL（2） 動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析Ri=RG+(R1/R2)RG Ro RDRiRo第25頁(yè)/共55頁(yè)基本放大電路基本放大電路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs時(shí)時(shí)UA=- gmRD1 + gmRsRiRi=RG+(R1/R2) RG RoRo RD接入接入Cs時(shí)時(shí)AU= -gm(rds/RD/RL)Ri=RG+(R1/R2) RG Ro =RD/rds RDRsRs的作用是提供直流柵源電壓、引的作用是提供直流柵源電壓、引入直流負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定工作點(diǎn)。但它入直

18、流負(fù)反饋來(lái)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?duì)交流也起負(fù)反饋?zhàn)饔茫狗糯蟊稊?shù)降低。接入數(shù)降低。接入C CS S可以消除可以消除R RS S對(duì)交流對(duì)交流的負(fù)反饋?zhàn)饔?。的?fù)反饋?zhàn)饔?。?6頁(yè)/共55頁(yè)ri基本放大電路基本放大電路2 2、共漏放大電路、共漏放大電路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSDioUUUA=gmUgsRSUgs+ gmUgsRs=gmRS1 + gmRsRS=rds/RS/RL RS/RL1AU1ri=RGUgs+-電壓增益電壓增益輸入電阻輸入電阻2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路第27頁(yè)/共55頁(yè)基本放大電路基本放大電路輸出電阻輸出電阻Ugs+-gm

19、UgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-SooRUI - gmUgsUgs= -Uo=Uo(1/Rs+gm)oooIUr msg1/R1msg1/RUA=gmRS1 + gmRs電壓增益電壓增益ri=RG輸入電阻輸入電阻2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路2 2、共漏放大電路、共漏放大電路第28頁(yè)/共55頁(yè)基本放大電路基本放大電路3 3、共柵放大電路、共柵放大電路SGDrdsgmUgsSGD電壓增益電壓增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo= -IdRDUgs= -UiId= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds)/rR(1

20、)U1/r(gIdsDidsmdioUUUAiDdURI)/rR(1R)1/r(gdsDDdsm當(dāng)當(dāng)rdsRD時(shí)時(shí)AU gmRDri輸入電阻輸入電阻ri =Ui/IddsmdsD1/rg/rR1rdsRDgmrds1ri 1/gmririRs/1/gm2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路第29頁(yè)/共55頁(yè)基本放大電路基本放大電路電壓增益電壓增益AU gmRD輸入電阻輸入電阻ri 1/gmriRs/1/gmSGDrdsgmUgs輸出電阻輸出電阻roro =rdsro=rds/RD RD電壓增益高，輸入電阻很低，輸出電阻高，輸出電壓與電壓增益高，輸入電阻很低，輸出電阻高，輸出電壓與輸入電壓同相輸入

21、電壓同相2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路3 3、共柵放大電路、共柵放大電路第30頁(yè)/共55頁(yè)組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益：電壓增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路三種基本放大電路的性能比較三種基本放大電路的性能比較第31頁(yè)/共55頁(yè)beb/rR輸出電阻輸出電阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcRBJTFET輸入電阻輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR2 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大電管放大電路路三種基本放大電路的性能比較三種基本放大電路的性能比較第32頁(yè)/共55頁(yè)第33頁(yè)/共55頁(yè)第34頁(yè)/共55頁(yè)vC、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