MOSFET原理、功率MOS及其应用备课讲稿.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,MOSFET原理介绍与应用,田毅,内容,概述,原理介绍,低频小信号放大电路,功率MOSFET,应用,概述,MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）金属-氧化层-半导体-场效应晶体管,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,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。,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）,单极型器件（只有一种载流子，N：电子，P：空穴）,耗尽型,增强型,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,（耗尽型）,FET,场效应管,JFET,结型,耗尽型,：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在,增强型,：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道,场效应管的分类：,从半导体导电沟道类型上分,从有无原始导电沟道上分,从结构上分,MOSFET,绝缘栅型,(IGFET),1 原理介绍,增强型MOS场效应管,耗尽型MOS场效应管,MOS场效应管分类,1 MOS场效应管,MOS场效应管,N,沟道增强型的MOS管,P,沟道增强型的MOS管,N,沟道耗尽型的MOS管,P,沟道耗尽型的MOS管,1 MOS场效应管,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,绝缘栅极G基极B,衬底B,电极金属,绝缘层氧化物,基体半导体,因此称之为MOS管,1 MOS场效应管,动画五,当,V,GS,较小,时，虽然在P型衬底表面形成一层,耗尽层,，但负离子不能导电。,当,V,GS,=V,T,时,在P型衬底表面形成一层,电子层,，形成N型导电沟道，在V,DS,的作用下形成i,D。,二、N沟道,增强型MOS场效应管工作原理,增强型MOS管,V,DS,i,D,+,+,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,V,GS,反型层,当,V,GS,=0V,时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论V,DS,之间加什么电压都不会在D、S间形成电流i,D,即i,D,0.,当,V,GS,V,T,时,沟道加厚，沟道电阻减少，,在相同V,DS,的作用下，i,D,将进一步增加。,开始时无导电沟道，当在,V,GS,V,T,时才形成沟道,这种类型的管子称为,增强型MOS管,动画六,一方面,MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,当,V,GS,V,T,，且固定为某一值时，来分析漏源电压,V,DS,的不同变化对导电沟道和漏极电流,I,D,的影响。,V,DS,=,V,DG,V,GS,=,V,GD,V,GS,V,GD,=,V,GS,V,DS,当,V,DS,为0或较小时，,相当,V,GD,V,T,此时,V,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在V,DS,作用下形成I,D,增强型MOS管,1 MOS场效应管,另一方面,，,漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,当,V,DS,增加到使,V,GD,=,V,T,时，,当,V,DS,增加到,V,GD,V,T,时，,增强型MOS管,这相当于,V,DS,增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为,预夹断,。此时的,漏极电流,I,D,基本饱和。,此时预夹断区域加长，伸向S极。,V,DS,增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，,I,D,基本趋于不变。,1 MOS场效应管,另一方面,，漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,V,GD,=,V,GS,V,DS,三、N沟道,增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,i,D,=,f,(,v,GS,),v,DS,=C,转移特性曲线,i,D,=,f,(,v,DS,),v,GS,=C,输出特性曲线,v,DS,(V),i,D,(,mA,),当v,GS,变化时，R,ON,将随之变化，因此称之为,可变电阻区,恒流区(饱和区)：,v,GS,一定时，i,D,基本不随v,DS,变化而变化。,v,GS,/V,一、N沟道,耗尽型MOS场效应管结构,耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在,原始导电沟道,1 MOS场效应管,耗尽型MOS管,二、N沟道,耗尽型MOS场效应管工作原理,当,V,GS,=0,时，V,DS,加正向电压，产生漏极电流i,D,此时的漏极电流称为,漏极饱和电流,，用,I,DSS,表示。,当,V,GS,0,时,将使,i,D,进一步增加。,当,V,GS,0,时，随着,V,GS,的减小漏极电流逐渐,减小,，直至,i,D,=0,，对应,i,D,=0的,V,GS,称为夹断电压，用符号,V,P,表示。,V,GS,(V),i,D,(mA),V,P,1 MOS场效应管,N沟道,耗尽型MOS管可工作在,V,GS,0或,V,GS,0,N沟道,增强型MOS管只能工作在,V,GS,0,耗尽型MOS管,三、N沟道,耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,1 MOS场效应管,V,GS,(V),i,D,(mA),V,P,转移特性曲线,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,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,场效应管的主要参数,2.夹断电压,V,P,：是耗尽型FET的参数，当,V,GS,=,V,P,时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应三极管当,V,GS,=0时所对应的漏极电流。,1.开启电压,V,T,：,MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,1 MOS场效应管,4.直流输入电阻,R,GS,:栅源间所加的恒定电压V,GS,与流过栅极电流I,GS,之比。结型:,大于10,7,，绝缘栅:,10,9,10,15,。,5.漏源击穿电压V,(BR)DS,:使I,D,开始剧增时的V,DS,。,6.栅源击穿电压V,(BR),GS,JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压,MOS：使SiO,2,绝缘层击穿的电压,7.,低频跨导,g,m,：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,1 MOS场效应管,8.,输出电阻r,ds,9.,极间电容,Cgs,栅极与源极间电容,Cgd,栅极与漏极间电容,Csd,源极与漏极间电容,2 场效应管放大电路,场效应管偏置电路,三种基本放大电路,2 场效应管放大电路,FET小信号模型,为什么要设定一个静态工作点,无静态工作点，小信号加到栅源端，管子不工作,静态管工作点设在输入曲线接近直线段中点,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 场效应管放大电路,一、场效应管偏置电路,1、自给偏置电路,场效应管偏置电路的,关键,是如何,提供栅源控制电压U,GS,自给偏置电路：,适合结型场效应管和耗尽型MOS管,外加偏置电路：,适合增强型MOS管,U,GS,=U,G,-U,S,=-I,S,R,S,-I,D,R,S,U,GSQ,和I,DQ,U,DSQ,=E,D,-I,DQ,(R,S,+R,D,),G,S,D,基本自给偏置电路,2 场效应管放大电路,R,S,的作用：1.提供栅源直流偏压。2.提供直流负反馈，稳定静态工作点。R,S,越大，工作点越稳定。,偏置电路,改进型自给偏置电路,大电阻（M,)，,减小R,1、,R,2,对放大电,路输入电阻的影响,U,GS,=U,G,-U,S,-I,D,R,S,U,GSQ,和I,DQ,U,DSQ,=E,D,-I,DQ,(R,S,+R,D,),2 场效应管放大电路,1、自给偏置电路,R,1,R,2,提供一个正偏栅压U,G,偏置电路,2、外加偏置电路,-I,D,R,S,R,1,和R,2,提供一个固定栅压,U,GS,U,G,-U,S,注：要求,U,G,U,S,，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作,2 场效应管放大电路,二、场效应管的低频,小信号模型,i,D,由输出特性：,i,D,=f(v,GS,v,DS,),2 场效应管放大电路,S,D,g,ds,v,gs,+,-,+,-,v,ds,G,i,d,g,m,v,gs,三、三种基本放大电路,1、共源放大电路,（1）直流分析,U,GS,=U,G,-U,S,-I,D,R,S,U,GSQ,和I,DQ,U,DSQ,=E,D,-I,DQ,(R,S,+R,D,),2 场效应管放大电路,基本放大电路,I,d,G,R,G,R,1,R,2,R,D,R,L,D,r,dsR,S,g,m,U,gs,S,U,i,U,o,未接C,s,时,一般r,ds,较大可忽略,=,-g,m,U,gs,R,D,U,gs,+g,m,U,gs,R,s,=,-g,m,R,D,1,+g,m,R,s,R,D,=R,D,/R,L,（2）动态分析,R,i,=R,G,+(R,1,/R,2,),R,G,R,o,R,D,R,i,R,o,基本放大电路,I,d,G,R,G,R,1,R,2,R,D,R,L,D,r,ds,R,S,g,m,U,gs,S,U,gs,U,i,U,o,未接C,s,时,=,-g,m,R,D,1,+g,m,R,s,R,i,R,i,=R,G,+(R,1,/R,2,),R,G,R,o,R,o,R,D,接入C,s,时,A,U,=-g,m,(r,ds,/R,D,/R,L,),R,i,=R,G,+(R,1,/R,2,),R,G,R,o,=R,D,/r,ds,R,D,Rs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。但它对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入C,S,可以消除R,S,对交流的负反馈作用。,r,i,基本放大电路,2、共漏放大电路,G,S,D,U,i,R,G,G,U,o,R,L,R,S,g,m,U,gs,r,ds,S,D,=,g,m,U,gs,R,S,U,gs,+g,m,U,gs,R,s,=,g,m,R,S,1,+g,m,R,s,R,S,=r,ds,/R,S,/RL,R,S,/R,L,1,A,U,1,r,i,=R,G,U,gs,+,-,电压增益,输入电阻,2 场效应管放大电路,基本放大电路,输出电阻,U,gs,+,-,g,m,U,gs,R,S,+,-,U,o,I,o,r,o,U,i,G,U,o,S,R,G,R,L,R,S,g,m,U,gs,r,ds,D,U,gs,+,-,-g,m,U,gs,U,gs,=-U,o,=U,o,(1/R,s,+g,m,),=,g,m,R,S,1,+g,m,R,s,电压增益,r,i,=R,G,输入电阻,2 场效应管放大电路,2、共漏放大电路,基本放大电路,3、共栅放大电路,S,G,D,r,ds,g,m,U,gs,S,G,D,电压增益,I,d,I,d,=g,m,U,gs,+U,ds,/r,ds,U,ds,=U,o,-U,i,U,o,=-I,d,R,D,U,gs,=-U,i,I,d,=-g,m,U,i,+(-I,d,R,D,-U,i,)/r,ds,当r,ds,R,D,时,A,U,g,m,R,D,r,i,输入电阻,r,i,=U,i,/I,d,r,ds,R,D,g,m,r,ds,1,r,i,1/g,m,r,i,r,i,R,s,/1/g,m,2 场效应管放大电路,基本放大电路,电压增益,A,U,g,m,R,D,输入电阻,r,i,1/g,m,r,i,R,s,/1/g,m,S,G,D,r,ds,g,m,U,gs,输出电阻,r,o,r,o,=r,ds,r,o,=r,ds,/R,D,R,D,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,2 场效应管放大电路,3、共栅放大电路,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,电压增益：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,2 场效应管放大电路,三种基本放大电路的性能比较,输出电阻：,BJT,FET,输入电阻：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,2 场效应管放大电路,三种基本放大电路的性能比较,功率MOSFET,结构,功率MOSFET开关过程,功率损耗,驱动电路,参数,功率MOS结构,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。,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.,a,、,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。,C、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。,b、双扩散,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。,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,输入电容：C,iSS,=C,GS,+C,GD,输出电容：C,OSS,=C,GD,+C,DS,反向传输电容：C,r,SS,=C,GD,上述电容值在开关过程会发生变化，C,GD,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。,C,GD,V,DS,V,DS,=V,GS,MOSFET导通过程,4个过程充电等效电路,t,0,t,1,：t,0,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V,GS(th),，MOSFET上的电压电流都不变化，C,GD,很小且保持不变。,t1t2：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。,T,2,T,3,：T,2,时刻V,DS,下降至接近V,GS,，C,GD,开始急剧增大，漏极电流I,D,已接近最大额定电流值。随着V,DS,减小至接近于通态压降，C,GD,趋于最大值(T,3,时刻)。在此过程中，一方面C,GD,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C,in23,非常大，从而引起栅极平台的出现，栅极电流几乎全部注入C,GD,，使V,DS,下降。,T3T4：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,（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。,对于MOSFET：在共源组态中，栅极与漏极之间的覆盖电容C,DG,是密勒电容，C,DG,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,P,1,=I,D,R,DS,(on)D,其中R,DS,(on),是结点温度的函数，可以通过on-resistance vs.temperature查找各温度下的,R,DS,(on),值,R,DS,(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,P2=1/2VinID(Ton+Toff)fs,总损耗=传导损耗+开关损耗,驱动电路,电压,电压一定要使MOSFET完全导通（datasheet上查看），V,GS,要大于平台电压。如果MOSFET工作在横流区，V,DS,会很大，器件消耗功率非常大，MOSFET将会烧毁。,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。,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,MOSFET,驱动器的功耗,1.P,C,=C,G,V,DD,F,=,Q,G,V,F,C,G,=MOSFET栅极电容,V,DD,=MOSFET 驱动器电源电压（V）,F=开关频率,Q,G,=栅极总电荷,2.P,Q,=(,I,QH,D,+,I,QL,(,1,-,D,),V,DD,I,QH,=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,I,QL,=驱动器输入为低电平状态的静态电流,3.P,S,=,CC,F,VDD,CC=交越常数（A*sec）,其它,MOS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。,MOSFET的S极和衬底连接，所以S、D不能互换,MOSFET 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。,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,在开关电源低高端一般都用N-MOS，少用P-MOS。,MOSFET应用,开关作用,显卡电源,converter,inverter,谢谢！,