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MOSFET结构及工作原理,动态特性:MOS(MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体),FET(FieldEffectTransistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。电路符号如下图所示:下图1是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底(图la),在其面上扩散了两个N型区(图lb),再在上面覆盖一层二氧化硅SIO2绝缘层(图lc),最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图1d所示。从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。图1:通常,漏极D与电源正极连接,源极与电源负极连接。在未加栅极电压时,漏极与源极的沟道有两个背靠背的PN结,所以漏极电流几乎为零。当栅极G与源极之间加上正电压但是,金属栅极被充电而聚集起正电荷,正电荷建立起的电场排斥靠近SIO2底面下的P型半导体中的空穴,形成耗尽层。如果栅极电压进一步加大,直到VGS=VT(开启电压)时,由于电场足够强,不仅会把P型半导体表面的空穴赶走,,而且还会吸引一定数量的电子聚集在两个N区之间。VGS越大,积累的电子越多。这种作用使得与SIO2交界面处的衬底由P型转化为N型,这个感应生成的N型半导体薄层称为反型层。由于反型层的出现,使得原来的PN结消失,并且在漏极与源极之间搭建起N型导电沟道。这时在漏极电压VDS的作用下,电子就会自源极经沟道电阻流向漏极,使外电路中产生的漏极电流ID.VGS越大,感应生成的N型导电沟道越深,因而ID越大,因此称之为N型导电沟道增强型MOS场效应管.当VGSVT时,导电沟道已经形成。在DS间外加正向电压VDS后,漏极电流ID沿沟道产生电压降,使沟道上各点与栅极之间的电压不再相等,该电压削弱了栅极中正电荷电场的作用,使沟道从源极到漏极逐渐变窄。当VDS增大到某一数值VDSS,夹断区向源极方向延伸,而夹断沟道电流达到饱和不再变化。下图2为N沟道增强型MOS管特性曲线图2:①可变电阻区,在该区里VDS比较小,沟通电阻随栅压VGS而改变,故称为可变电阻区。当栅压一定时,沟通电阻为定值,ID随VDS近似线性增大,当VGS<VT时,漏源极间电阻很大(关断)。ID=0;当VGS=0时,漏源极间电阻很小(导通),ID=IDSS。这一特性使场效应管具有开关作用。②饱和区,当漏极电压VDS继续增大到VDS>|VT|时,漏极电流,ID达到了饱和值后基本保持不变,在这里,对于不同的VGS漏极特性曲线近似平行线,即ID与VGS成线性关系,故又称线性放大区。③击穿区如果VDS继续增加,以至超过了PN结所能承受的电压而被击穿,漏极电流将ID突然增大。基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程中心议题:基于功率MOSFET的栅极电荷特性的开关过程基于功率MOSFET的导通区特性的开关过程解决方案:功率MOSFET动态经过是关断区、恒流区和可变电阻区MOSFET工作于放大状态,Id电流为Vgs电压和跨导乘积本文先介绍了基于功率MOSFET的栅极电荷特性的开关过程;然后介绍了一种更直观明析的理解功率MOSFET开关过程的方法:基于功率MOSFET的导通区特性的开关过程,并详细阐述了其开关过程。开关过程中,功率MOSFET动态的经过是关断区、恒流区和可变电阻区的过程。在跨越恒流区时,功率MOSFET漏极的电流和栅极电压以跨导为正比例系列,线性增加。米勒平台区对应着最大的负载电流。可变电阻区功率MOSFET漏极减小到额定的值。MOSFET的栅极电荷特性与开关过程尽管MOSFET在开关电源、电机控制等一些电子系统中得到广泛的应用,但是许多电子工程师并没有十分清楚的理解MOSFET开关过程,以及MOSFET在开关过程中所处的状态。一般来说,电子工程师通常基于栅极电荷理解MOSFET的开通的过程,如图1所示。此图在MOSFET数据表中可以查到。图1AOT460栅极电荷特性MOSFET的D和S极加电压为VDD,当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时,输入电容Ciss充电,G和S极电压Vgs线性上升并到达门槛电压VGS(th),Vgs上升到VGS(th)之前漏极电流Id≈0A,没有漏极电流流过,Vds的电压保持VDD不变。当Vgs到达VGS(th)时,漏极开始流过电流Id,然后Vgs继续上升,Id也逐渐上升,Vds仍然保持VDD。当Vgs到达米勒平台电压VGS(pl)时,Id也上升到负载电流最大值ID,Vds的电压开始从VDD下降。米勒平台期间,Id电流维持ID,Vds电压不断降低。米勒平台结束时刻,Id电流仍然维持ID,Vds电压降低到一个较低的值。米勒平台结束后,Id电流仍然维持ID,Vds电压继续降低,但此时降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后稳定在Vds=Id×Rds(on)。因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通。对于上述的过程,理解难点在于为什么在米勒平台区,Vgs的电压恒定?驱动电路仍然对栅极提供驱动电流,仍然对栅极电容充电,为什么栅极的电压不上升?而且栅极电荷特性对于形象的理解MOSFET的开通过程并不直观。因此,下面将基于漏极导通特性理解MOSFET开通过程。MOSFET的漏极导通特性与开关过程MOSFET的漏极导通特性如图2所示。MOSFET与三极管一样,当MOSFET应用于放大电路时,通常要使用此曲线研究其放大特性。只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数,而MOSFET使用栅极电压、漏极电流和跨导。图2AOT460的漏极导通特性三极管有三个工作区:截止区、放大区和饱和区,MOSFET对应是关断区、恒流区和可变电阻区。注意:MOSFET恒流区有时也称饱和区或放大区。当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时,Vgs的电压逐渐升高时,MOSFET的开通轨迹A-B-C-D如图3中的路线所示。图3AOT460的开通轨迹开通前,MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点,AOT460的VDD电压为48V,Vgs的电压逐渐升高,Id电流为0,Vgs的电压达到VGS(th),Id电流从0开始逐渐增大。A-B就是Vgs的电压从VGS(th)增加到VGS(pl)的过程。从A到B点的过程中,可以非常直观的发现,此过程工作于MOSFET的恒流区,也就是Vgs电压和Id电流自动找平衡的过程,即Vgs电压的变化伴随着Id电流相应的变化,其变化关系就是MOSFET的跨导:,跨导可以在MOSFET数据表中查到。当Id电流达到负载的最大允许电流ID时,此时对应的栅级电压。由于此时Id电流恒定,因此栅极Vgs电压也恒定不变,见图3中的B-C,此时MOSFET处于相对稳定的恒流区,工作于放大器的状态。开通前,Vgd的电压为Vgs-Vds,为负压,进入米勒平台,Vgd的负电压绝对值不断下降,过0后转为正电压。驱动电路的电流绝大部分流过CGD,以扫除米勒电容的电荷,因此栅极的电压基本维持不变。Vds电压降低到很低的值后,米勒电容的电荷基本上被扫除,即图3中的C点,于是,栅极的电压在驱动电流的充电下又开始升高,如图3中的C-D,使MOSFET进一步完全导通。C-D为可变电阻区,相应的Vgs电压对应着一定的Vds电压。Vgs电压达到最大值,Vds电压达到最小值,由于Id电流为ID恒定,因此Vds的电压即为ID和MOSFET的导通电阻的乘积。结论基于MOSFET的漏极导通特性曲线可以直观的理解MOSFET开通时,跨越关断区、恒流区和可变电阻区的过程。米勒平台即为恒流区,MOSFET工作于放大状态,Id电流为Vgs电压和跨导乘积。
本文标题:MOSFET结构及工作原理-动态特性
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