1、MOSFET原理介紹與應用,田毅,1,內容,概述 原理介紹 低頻小信號放大電路 功率MOSFET 應用,2,概述,MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）金屬-氧化層-半導體-場效應晶體管 它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優(yōu)點 具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點。 在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到廣泛的應用。,3,場效應管的分類：,從半導體導電溝道類型上分,從有無原始導電溝道上分,從結構上分,4,1 原理介紹,增強型MOS場效應管,耗盡型MOS場效應管,MO

2、S場效應管分類,5,MOS場效應管,N溝道增強型的MOS管,P溝道增強型的MOS管,N溝道耗盡型的MOS管,P溝道耗盡型的MOS管,6,一、N溝道增強型MOS場效應管結構,增強型MOS場效應管,漏極D集電極C,源極S發(fā)射極E,絕緣柵極G基極B,襯底B,電極金屬 絕緣層氧化物 基體半導體 因此稱之為MOS管,動畫五,7,當VGS較小時，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負離子不能導電。 當VGS=VT時, 在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導電溝道，在VDS的作用下形成iD。,二、N溝道增強型MOS場效應管工作原理,增強型MOS管,-,-,-,-,當VGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的

3、PN結，無論VDS之間加什么電壓都不會在D、S間形成電流iD,即iD0.,當VGSVT時, 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進一步增加。,開始時無導電溝道，當在VGSVT時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管,動畫六,一方面,MOSFET是利用柵源電壓的大小，來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。,8,當VGSVT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS的不同變化對導電溝道和漏極電流ID的影響。,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,當VDS為0或較小時，相當 VGDVT ,此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在

4、VDS作用下形成ID,增強型MOS管,另一方面，漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,9,當VDS增加到使VGD=VT時，,當VDS增加到VGDVT時，,增強型MOS管,這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。此時的漏極電流ID 基本飽和。,此時預夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。,另一方面，漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,VGD=VGSVDS,10,三、N溝道增強型MOS場效應管特性曲線,增強型MOS管,iD=f(vGS)vDS=C,轉移特性曲線,iD=f(vDS)vGS=C,輸出特性曲線,當vGS

5、變化時，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū),恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時，iD基本不隨vDS變化而變化。,vGS/V,11,一、N溝道耗盡型MOS場效應管結構,耗盡型MOS場效應管,+ + + + + + +, ,耗盡型MOS管存在 原始導電溝道,12,耗盡型MOS管,二、N溝道耗盡型MOS場效應管工作原理,當VGS=0時，VDS加正向電壓，產生漏極電流iD,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。 當VGS0時,將使iD進一步增加。 當VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對應iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。,N溝道耗盡型MOS管可工作在VG

6、S0或VGS0 N溝道增強型MOS管只能工作在VGS0,13,耗盡型MOS管,三、N溝道耗盡型MOS場效應管特性曲線,輸出特性曲線,轉移特性曲線,14,各類絕緣柵場效應三極管的特性曲線,絕緣柵場效應管,N 溝 道 增 強 型,P 溝 道 增 強 型,15,絕緣柵場效應管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,16,場效應管的主要參數(shù),2. 夾斷電壓VP：是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VP 時,漏極電流為零。,3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應三極管當VGS=0時所對應的漏極電流。,1. 開啟電壓VT：MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。,4.

7、 直流輸入電阻RGS:柵源間所加的恒定電壓VGS與流過柵極電流IGS之比。結型:大于107，絕緣柵:1091015。,5. 漏源擊穿電壓V(BR)DS: 使ID開始劇增時的VDS。,6.柵源擊穿電壓V(BR) GS JFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓 MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓,17,7. 低頻跨導gm ：反映了柵源壓對漏極電流的控制作用。,8. 輸出電阻rds,9. 極間電容,Cgs柵極與源極間電容 Cgd 柵極與漏極間電容 Csd 源極與漏極間電容,18,2 場效應管放大電路,場效應管偏置電路,三種基本放大電路,FET小信號模型,19,為什么要設定一個靜態(tài)工作點,無靜態(tài)工作點，

8、小信號加到柵源端，管子不工作 靜態(tài)管工作點設在輸入曲線接近直線段中點 小信號模型參數(shù)與靜態(tài)工作點有關,如果靜態(tài)工作點設置在此處，信號放大后失真嚴重，并且信號稍大就會部分進入截止區(qū),20,一、場效應管偏置電路,1、自給偏置電路,自給偏置電路：,適合結型場效應管和耗盡型MOS管,外加偏置電路：,適合增強型MOS管,UGS = UG-US,= -ISRS, -IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),RS的作用：1.提供柵源直流偏壓。2.提供直流負反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。RS越大，工作點越穩(wěn)定。,21,偏置電路,大電阻（M)， 減小R1、R2對放大電 路輸入電阻的影響,UGS

9、= UG-US,-IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),1、自給偏置電路,22,偏置電路,2、外加偏置電路,-IDRS,R1和R2提供一個固定柵壓,UGS = UG-US,注：要求UGUS，才能提供一個正偏壓，增強型管子才能 正常工作,23,二、場效應管的低頻小信號模型,由輸出特性：,iD=f(vGS,vDS),24,三、三種基本放大電路,1、共源放大電路,（1） 直流分析,25,基本放大電路,D,S,Ui,Uo,未接Cs時,一般rds較大可忽略,=,- gmUgsRD,Ugs,+ gmUgsRs,RD=RD/RL,（2） 動態(tài)分析,Ri=RG+(R1/R2),RG

10、,Ro RD,26,基本放大電路,未接Cs時,Ri=RG+(R1/R2),RG,Ro RD,接入Cs時,AU= -gm(rds/RD/RL),Ri=RG+(R1/R2),RG,Ro =RD/rds RD,Rs的作用是提供直流柵源電壓、引入直流負反饋來穩(wěn)定工作點。但它對交流也起負反饋作用，使放大倍數(shù)降低。接入CS可以消除RS對交流的負反饋作用。,27,基本放大電路,2、共漏放大電路,Ui,Uo,=,gmUgsRS,Ugs,+ gmUgsRs,RS=rds/RS/RL RS/RL,1,AU1,ri=RG,電壓增益,輸入電阻,28,基本放大電路,輸出電阻,- gmUgs,Ugs= -Uo,=Uo(1

11、/Rs+gm),電壓增益,2、共漏放大電路,29,基本放大電路,3、共柵放大電路,電壓增益,Id=gmUgs+Uds/rds,Uds=Uo-Ui,Uo= -IdRD,Ugs= -Ui,Id= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds,AU gmRD,輸入電阻,ri =Ui/Id,rdsRD gmrds1,ri 1/gm,riRs/1/gm,30,基本放大電路,電壓增益,AU gmRD,輸入電阻,ri 1/gm,riRs/1/gm,輸出電阻,ro =rds,ro=rds/RD RD,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,3、共柵放大電路,31,組態(tài)對應關系：,CE,B

12、JT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三種基本放大電路的性能比較,32,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三種基本放大電路的性能比較,33,功率MOSFET,結構 功率MOSFET開關過程 功率損耗 驅動電路 參數(shù),34,功率MOS結構,橫向通道型：指Drain、Gate、Source的終端均在硅晶圓的表面，這樣有利于集成，但是很難獲得很高的額定功率。這是因為Source與Drain間的距離必須足夠大以保證有較高的耐壓值。 垂直通道型：指Drain和Source的

13、終端置在晶圓的相對面，這樣設計Source的應用空間會更多。當Source與Drain間的距離減小，額定的Ids就會增加，同時也會增加額定電壓值。垂直通道型又可分為：VMOS、DMOS、UMOS.,35,a、在gate區(qū)有一個V型凹槽，這種設計會有制造上的穩(wěn)定問題，同時，在V型槽的尖端也會產生很高的電場，因此VMOS元件的結構逐漸被DMOS元件的結構所取代。,C、在gate區(qū)有一個U型槽。與VMOS和DMOS相比，這種設計會有很高的通道濃度，可以減小導通電阻。,b、雙擴散,36,寄生三極管： MOS內部N+區(qū)，P-body區(qū)，N-區(qū)構成寄生三極管，當BJT開啟時擊穿電壓由BVCBO變成BVCE

14、O（只有BVCBO的50%到60% ），這種情況下，當漏極電壓超過BVCEO時，MOS雪崩擊穿，如果沒有外部的漏極電流限制，MOS將被二次擊穿破壞，所以，要鍍一層金屬來短接N+區(qū)和P-body區(qū)，以防止寄生BJT的開啟。 在高速開關狀態(tài)，B、E間會產 生電壓差，BJT可能開啟。,寄生二極管：源極與襯底短接，形成寄生二極管（體二極管）,37,MOSFET開關過程,等效電路,輸入電容：CiSS=CGS+CGD 輸出電容：COSS=CGD+CDS 反向傳輸電容：CrSS=CGD 上述電容值在開關過程會發(fā)生變化，CGD受開關過程的影響和他本身的變化對開 關過程的影響都最為顯著。,38,MOSFET導通

15、過程,39,4個過程充電等效電路,40,t0t1：t0時刻給功率MOSFET加上理想開通驅動信號，柵極電壓從0上升到門限電壓VGS(th)，MOSFET上的電壓電流都不變化，CGD很小且保持不變。,t1t2：MOSFET工作于恒流區(qū)，ID隨著VGS快速線性增大， ID在負載電阻R上產生壓降而使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，根據(jù)密勒定理，將CGD折算到輸入端，其柵極輸入等效電容值將增大為Cin12=CGS+(1-K)CGD。,41,T2T3：T2時刻VDS下降至接近VGS，CGD開始急劇增大，漏極電流ID已接近最大額定電流值

16、。隨著VDS減小至接近于通態(tài)壓降， CGD趨于最大值(T3時刻)。在此過程中，一方面CGD本身很大，另一方面K絕對值很大，由于密勒效應，等效輸入電容Cin23非常大，從而引起柵極平臺的出現(xiàn)，柵極電流幾乎全部注入CGD ，使VDS下降。,T3T4：T3時刻后VDS下降至通態(tài)壓降并基本不變， CGD亦保持最大值基本不變，但密勒效應消失。柵極電流同時對CGS和CGD充電，柵極平臺消失,柵源電壓不斷上升直至接近驅動源的電源電壓VDD，上升的柵源電壓使漏源電阻RDS(on)減小。T4時刻以后M0SFET進入完全導通狀態(tài),42,密勒效應,密勒效應（Miller effect）是在電子學中，反相放大電路中，

17、輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍，其中K是該級放大電路電壓放大倍數(shù)。 對于MOSFET：在共源組態(tài)中，柵極與漏極之間的覆蓋電容CDG是密勒電容，CDG正好跨接在輸入端(柵極)與輸出端(漏極)之間，故密勒效應使得等效輸入電容增大，導致頻率特性降低。,43,MOSFET參數(shù),熱阻：導熱過程的阻力。為導熱體兩側溫差與熱流密度之比。,Pch= (Tch-Tc)/ch-c = (150-25)/1.14W 110W,44,靜態(tài)電特性,45,動態(tài)電特性,E:MOSFETNAO4448L.pdf,46,功率損耗,1、傳導損耗 P1=IDRDS(on

18、) D 其中RDS(on) 是結點溫度的函數(shù)，可以通過on-resistance vs. temperature查找各溫度下的RDS(on)值 RDS(on)隨溫度升高變大，因為電子和空穴的遷移率溫度越高越小。,T是絕對溫度,2、開關損耗 P2=1/2VinID(Ton+Toff) fs,總損耗=傳導損耗+開關損耗,47,驅動電路,電壓 電壓一定要使MOSFET完全導通（datasheet上查看），VGS要大于平臺電壓。如果MOSFET工作在橫流區(qū)，VDS會很大，器件消耗功率非常大， MOSFET將會燒毀。 電流 I=Q/T (Q：柵極總電荷，T：導通/截止時間） 上述公式假設電流（I）使用的是恒流源。如果使用MOSFET驅動器的峰值驅動電流來計算，將會產