MOSFET原理、功率MOS及其应用

精品文档MOSFET原理介绍与应用田毅精品文档内容概述原理介绍低频小信号放大电路功率MOSFET应用精品文档概述MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）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）精品文档耗尽型增强型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)精品文档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1MOS场效应管精品文档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1MOS场效应管精品文档一、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1MOS场效应管动画五精品文档当VGS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VGS=VT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理增强型MOS管VDSiD++--++--++++----VGS反型层当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什么电压都不会在D、S间形成电流iD,即iD≈0.当VGSVT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。开始时无导电沟道，当在VGSVT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。精品文档当VGS＞VT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS－VDS当VDS为0或较小时，相当VGD＞VT,此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID增强型MOS管1MOS场效应管另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用精品文档当VDS增加到使VGD=VT时，当VDS增加到VGDVT时，增强型MOS管这相当于VDS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ID基本饱和。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。1MOS场效应管另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VGD=VGS－VDS精品文档三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管iD=f(vGS)vDS=C转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。vGS/VDTGSDTGSTGSDDiVvIVvVvIi时的是2)()1(020精品文档一、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1MOS场效应管精品文档耗尽型MOS管二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS＞0时,将使iD进一步增加。当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。VGS(V)iD(mA)VP1MOS场效应管N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0精品文档耗尽型MOS管三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线1MOS场效应管VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线精品文档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1MOS场效应管精品文档绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型1MOS场效应管精品文档场效应管的主要参数2.夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。1.开启电压VT：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。1MOS场效应管4.直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。5.漏源击穿电压V(BR)DS:使ID开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压精品文档7.低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CVGSDmDSdvdig1MOS场效应管8.输出电阻rdsCVDDSdGSdidvrs9.极间电容Cgs—栅极与源极间电容Cgd—栅极与漏极间电容Csd—源极与漏极间电容精品文档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小信号模型精品文档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场效应管放大电路精品文档一、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UGS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UGS=UG-US=-ISRS≈-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自给偏置电路2场效应管放大电路RS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。RS越大，工作点越稳定。精品文档偏置电路改进型自给偏置电路大电阻（M)，减小R1、R2对放大电路输入电阻的影响D212GERRRUUGS=UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR2场效应管放大电路1、自给偏置电路R1R2提供一个正偏栅压UG精品文档偏置电路2、外加偏置电路D212GERRRU-IDRSD212ERRRR1和R2提供一个固定栅压UGS=UG-US注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能正常工作2场效应管放大电路精品文档二、场效应管的低频小信号模型iD由输出特性：iD=f(vGS,vDS)DS0ΔvDSDGS0ΔvGSDDvΔvΔiΔvΔvΔiΔiΔGSDSDSGSDvΔvΔiΔdsmgg2场效应管放大电路dsgsdvvidsmggSDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs精品文档三、三种基本放大电路1、共源放大电路（1）直流分析UGS=UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR2场效应管放大电路精品文档基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUiUo未接Cs时一般rds较大可忽略ioUUUA=-gmUgsR'DUgs+gmUgsRs=-gmR'D1+gmRsR'D=RD//RL（2）动态分析Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo≈RDRiRo精品文档基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接Cs时UA=-gmR'D1+gmRsRiRi=RG+(R1//R2)≈RGRoRo≈RD接入Cs时AU=-gm(rds//RD//RL)Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo=RD//rds≈RDRs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CS可以消除RS对交流的负反馈作用。精品文档ri基本放大电路2、共漏放大电路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSDioUUUA=gmUgsR'SUgs+gmUgsR's=gmR'S1+gmR'sR'S=rds//RS//RL≈RS//RL1gmR'S1AU≈1ri=RGUgs+-电压增益输入电阻2场效应管放大电路精品文档基本放大电路输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-SooRUI-gmUgsUgs=-Uo=Uo(1/Rs+gm)oooIUrmsg1/R1msg1//RUA=gmR'S1+gmR's电压增益ri=RG输入电阻2场效应管放大电路2、共漏放大电路精品文档基本放大电路3、共栅放大电路SGDrdsgmUgsSGD电压增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo=-IdR'DUgs=-UiId=-gmUi+(-IdR'D-Ui)/rds)/rR(1)U1/r(gIdsDidsmdioUUUAiDdURI)/rR(1R)1/r(gdsDDdsm当rdsR'D时AU≈gmR'Dr'i输入电阻r'i=Ui/IddsmdsD1/rg/rR1rdsR'Dgmrds1r'i≈1/gmriri≈Rs//1/gm2场效应管放大电路精品文档基本放大电路电压增益AU≈gmR'D输入电阻r'i≈1/gmri≈Rs//1/gmSGDrdsgmUgs输出电阻ror'o=rdsro=rds//RD≈RD电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相2场效应管放大电路3、共栅放大电路精品文档组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：beLc)//(rRR)//)(1()//()1(LebeLeRRrRRbeLc)//(rRRCE：CC：CB：)//(LdmRRg)//(1)//(LmLmRRgRRg)//(LdmRRgCS：CD：CG：2场效应管放大电路三种基本放大电路的性能比较精品文档beb//rR输出电阻：cR)//)(1(//LebebRRrR1)//(//bebserRRR1//beerRcRBJTFET输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)//(g2g1g3RRRm1//gR)//(g2g1g3RRRCE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1//gRdR2场效应管放大电路三种基本放大电路的性能比较精品文档功率MOSFET结构功率MOSFET开关过程功率损耗驱动电路参数精品文档功率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.精品文档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、