MOSFET原理、功率MOS与应用

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-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）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1MOS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1MOS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1MOS场效应管动画五当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。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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场效应管绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型1MOS场效应管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。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。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