MOSFET结构及工作原理-动态特性

1、精选优质文档-倾情为你奉上MOSFET结构及工作原理，动态特性：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor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

2、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

3、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VS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IDVGS越大，感应生成的型导电沟道越深，因而越大，因此称之为型导电沟道增强型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

4、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： 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VGSVT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。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。击穿区如果VDS继续增加，以至超过了PN结所能承

5、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MO

6、SFET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1 AOT460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

7、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Id0A，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=IdR

8、ds(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2 AOT4

9、60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3 AOT460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

10、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。Vg