MOSFET結(jié)構(gòu)及工作原理-動(dòng)態(tài)特性

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上MOSFET結(jié)構(gòu)及工作原理，動(dòng)態(tài)特性：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。電路符號(hào)如下圖所示：下圖1是典型平面N溝道增強(qiáng)型MOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底(圖la)，在其面上擴(kuò)散了兩個(gè)N型區(qū)(圖lb)，再在上面覆蓋一層二氧化硅SIO2絕緣層(圖lc)，最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個(gè)孔，用金屬化的方法分

2、別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)電極：G(柵極)、S(源極)及D(漏極)，如圖1d所示。 從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個(gè)PN結(jié)。圖1：通常，漏極D與電源正極連接，源極與電源負(fù)極連接。在未加?xùn)艠O電壓時(shí)，漏極與源極的溝道有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，所以漏極電流幾乎為零。當(dāng)柵極G與源極之間加上正電壓但是，金屬柵極被充電而聚集起正電荷，正電荷建立起的電場(chǎng)排斥靠近SIO2底面下的P型半導(dǎo)體中的空穴，形成耗盡層。如果柵極電壓進(jìn)一步加大，直到VGS=VT(開(kāi)啟電壓)時(shí)，由于電場(chǎng)足夠強(qiáng)，不僅會(huì)把P型半導(dǎo)體表面的空穴趕走，而且還會(huì)吸引一定數(shù)量的電子聚集在兩個(gè)N區(qū)之間。VGS越大，積累的

3、電子越多。這種作用使得與SIO2交界面處的襯底由P型轉(zhuǎn)化為N型，這個(gè)感應(yīng)生成的N型半導(dǎo)體薄層稱為反型層。由于反型層的出現(xiàn)，使得原來(lái)的PN結(jié)消失，并且在漏極與源極之間搭建起N型導(dǎo)電溝道。這時(shí)在漏極電壓VS的作用下，電子就會(huì)自源極經(jīng)溝道電阻流向漏極，使外電路中產(chǎn)生的漏極電流IDVGS越大，感應(yīng)生成的型導(dǎo)電溝道越深，因而越大，因此稱之為型導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管. 當(dāng)VGSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成。在間外加正向電壓VDS后，漏極電流ID沿溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道上各點(diǎn)與柵極之間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中正電荷電場(chǎng)的作用，使溝道從源極到漏極逐漸變窄。當(dāng)VDS增大到某一數(shù)值VDSS，夾斷區(qū)向源

4、極方向延伸，而夾斷溝道電流達(dá)到飽和不再變化。下圖2為N溝道增強(qiáng)型MOS管特性曲線圖2： 可變電阻區(qū)，在該區(qū)里VDS比較小，溝通電阻隨柵壓VGS而改變，故稱為可變電阻區(qū)。當(dāng)柵壓一定時(shí)，溝通電阻為定值，ID隨VDS近似線性增大，當(dāng)VGSVT時(shí)，漏源極間電阻很大(關(guān)斷)。ID=0；當(dāng)VGS=0時(shí)，漏源極間電阻很小(導(dǎo)通),ID=IDSS。這一特性使場(chǎng)效應(yīng)管具有開(kāi)關(guān)作用。飽和區(qū)，當(dāng)漏極電壓VDS繼續(xù)增大到VDS|VT|時(shí)，漏極電流，ID達(dá)到了飽和值后基本保持不變，在這里，對(duì)于不同的VGS漏極特性曲線近似平行線，即ID與VGS成線性關(guān)系，故又稱線性放大區(qū)。擊穿區(qū)如果VDS繼續(xù)增加，以至超過(guò)了PN結(jié)所能承

5、受的電壓而被擊穿，漏極電流將ID突然增大?；诼O導(dǎo)通區(qū)特性理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程 中心議題： 基于功率MOSFET的柵極電荷特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程 基于功率MOSFET的導(dǎo)通區(qū)特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程 解決方案： 功率MOSFET動(dòng)態(tài)經(jīng)過(guò)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū) MOSFET工作于放大狀態(tài)，Id電流為Vgs電壓和跨導(dǎo)乘積 本文先介紹了基于功率MOSFET的柵極電荷特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程；然后介紹了一種更直觀明析的理解功率MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程的方法：基于功率MOSFET的導(dǎo)通區(qū)特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程，并詳細(xì)闡述了其開(kāi)關(guān)過(guò)程。開(kāi)關(guān)過(guò)程中，功率MOSFET動(dòng)態(tài)的經(jīng)過(guò)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過(guò)程。在跨越恒流區(qū)時(shí)，功率MO

6、SFET漏極的電流和柵極電壓以跨導(dǎo)為正比例系列，線性增加。米勒平臺(tái)區(qū)對(duì)應(yīng)著最大的負(fù)載電流?？勺冸娮鑵^(qū)功率MOSFET漏極減小到額定的值。MOSFET的柵極電荷特性與開(kāi)關(guān)過(guò)程盡管MOSFET在開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，但是許多電子工程師并沒(méi)有十分清楚的理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程，以及MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所處的狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，電子工程師通?；跂艠O電荷理解MOSFET的開(kāi)通的過(guò)程，如圖1所示。此圖在MOSFET數(shù)據(jù)表中可以查到。圖1 AOT460柵極電荷特性MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓

7、Vgs線性上升并到達(dá)門檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id0A，沒(méi)有漏極電流流過(guò)，Vds的電壓保持VDD不變。當(dāng)Vgs到達(dá)VGS(th)時(shí)，漏極開(kāi)始流過(guò)電流Id，然后Vgs繼續(xù)上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD。當(dāng)Vgs到達(dá)米勒平臺(tái)電壓VGS(pl)時(shí)，Id也上升到負(fù)載電流最大值ID，Vds的電壓開(kāi)始從VDD下降。米勒平臺(tái)期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個(gè)較低的值。米勒平臺(tái)結(jié)束后，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時(shí)降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后穩(wěn)定在Vds=IdR

8、ds(on)。因此通?？梢哉J(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。對(duì)于上述的過(guò)程，理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺(tái)區(qū)，Vgs的電壓恒定？驅(qū)動(dòng)電路仍然對(duì)柵極提供驅(qū)動(dòng)電流，仍然對(duì)柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？而且柵極電荷特性對(duì)于形象的理解MOSFET的開(kāi)通過(guò)程并不直觀。因此，下面將基于漏極導(dǎo)通特性理解MOSFET開(kāi)通過(guò)程。MOSFET的漏極導(dǎo)通特性與開(kāi)關(guān)過(guò)程MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖2所示。MOSFET與三極管一樣，當(dāng)MOSFET應(yīng)用于放大電路時(shí)，通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數(shù)，而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。圖2 AOT4

9、60的漏極導(dǎo)通特性 三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，MOSFET對(duì)應(yīng)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)。注意：MOSFET恒流區(qū)有時(shí)也稱飽和區(qū)或放大區(qū)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，Vgs的電壓逐漸升高時(shí)，MOSFET的開(kāi)通軌跡A-B-C-D如圖3中的路線所示。圖3 AOT460的開(kāi)通軌跡開(kāi)通前，MOSFET起始工作點(diǎn)位于圖3的右下角A點(diǎn)，AOT460的VDD電壓為48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓達(dá)到VGS(th)，Id電流從0開(kāi)始逐漸增大。A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過(guò)程。從A到B點(diǎn)的過(guò)程中，可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)，此過(guò)

10、程工作于MOSFET的恒流區(qū)，也就是Vgs電壓和Id電流自動(dòng)找平衡的過(guò)程，即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應(yīng)的變化，其變化關(guān)系就是MOSFET的跨導(dǎo)： ，跨導(dǎo)可以在MOSFET數(shù)據(jù)表中查到。當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵級(jí)電壓。由于此時(shí)Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見(jiàn)圖3中的B-C，此時(shí)MOSFET處于相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大器的狀態(tài)。開(kāi)通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負(fù)壓，進(jìn)入米勒平臺(tái)，Vgd的負(fù)電壓絕對(duì)值不斷下降，過(guò)0后轉(zhuǎn)為正電壓。驅(qū)動(dòng)電路的電流絕大部分流過(guò)CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變。Vds電壓降低到很低的值后，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點(diǎn)，于是，柵極的電壓在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開(kāi)始升高，如圖3中的C-D，使MOSFET進(jìn)一步完全導(dǎo)通。C-D為可變電阻區(qū)，相應(yīng)的Vgs電壓對(duì)應(yīng)著一定的Vds電壓。Vg