MOS基本原理及驱动技术

1、 MOS结构以及驱动技术1 1 MOSMOS场效应管基本知识场效应管基本知识2 2 基本数学方程基本数学方程3 3 LCLC暂态过程暂态过程4 4 MOS MOS数学模型数学模型N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对一、一、MOSMOS场效应管基本知场效应管基本知识识 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4

2、+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对P型半导体型半导体MOS场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种

3、电压控）是一种电压控制器件制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。绝缘栅场效应三极管 金属氧化物半导体金属氧化物半导体场效应管场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称，简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型M

4、OS管管 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果

5、此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出

6、反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +-sbgd3 3 . .场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1) 开启电压开启电压UT UT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不场效应管不能导通。能导通。 （2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当uGS=UP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。 （

7、3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET, 当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管, RGS可达可达1091015。（5） 低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（6） 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态小信号模型分析法小信号模型分析法

8、 在开关电源设计中，用高频模型分析二、基本数学方程二、基本数学方程xixeixsincos 很伟大的一个公式！RCtptcccKeKetuRCpRCpudtduRC)(1010基本的高数公式，一阶其次方程求解。带入初始条件，确定K值。RCtcceUtuUKUu000)()0(0)(dddddd01111ttexatxatxatxannnnnn0)(dddd01222ttexatxatxa二阶电路中有二个动态元件二阶电路中有二个动态元件, ,描述电路的方程是二阶线性描述电路的方程是二阶线性微分方程。微分方程。一般一般LCLC电路就可以使用该方程求解。电路就可以使用该方程求解。电路中有多个动态元件

9、，描述电路的方程是高阶微分方电路中有多个动态元件，描述电路的方程是高阶微分方程。程。三、三、R R、L L、C C暂态过程暂态过程1.1.RC电路的零输入响应电路的零输入响应iS(t=0)+uRC+uCR已知已知 uC (0)=U0 uR= RituCiCdd0CRuu0)0(0ddUuutuRCCCC0 0teUuRCtc000teIeRURuiRCtRCtC2 2. .RC电路的零状态响应电路的零状态响应iS(t=0)US+uRC+uCRuC (0)=0+SCCddUutuRCCCCuuu 解答形式为：解答形式为：特解（强制分量）特解（强制分量）Cu的特解的特解SCCddUutuRCSCU

10、u通解（暂态分量）通解（暂态分量）Cu 的通解的通解0ddCCutuRCRCtAeu C) 0( )1 ( S SSCteUeUUuRCtRCtRCteRUtuCiSCdd3 3. . RL电路的零输入响应电路的零输入响应iLS(t=0)USL+uLRR1+-01)0 ()0 (IRRUiiSLL00ddLLtRitiL0) (00LteIeItitLRptRLtLLeRItiLtu/ 0)(ddtiLtuLLdd)(基本关系基本关系tuCtiCdd)(4 4. . RL电路的零状态响应电路的零状态响应)1 (SLtLReRUiiLS(t=0)US+uRL+uLR+SLLUiRtiLddLLL

11、iii RUiSLA0)0 (tLRLAeRUiStLReUtiLuSLLddteftf)(f)0()(f)(三要素法分析一阶电路三要素法分析一阶电路5 5. . 二阶电路的响应二阶电路的响应零输入响应：初始状态电容上有电压，零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。放电过程。零状态响应：初始状态电容上无电压，零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。充电过程。初始：uC(0+)=U0 i(0+)=0以电容电压为变量：以电容电压为变量：电路方程：电路方程：以电感电流为变量：以电感电流为变量：RLC+-iuc0CLuuRitiLutuCiLCdddd 02CCCutuRCtuLCdddd02

12、itiRCtiLCdddd012 RCPLCP特征方程：特征方程：零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。零状态响应的三种情况零状态响应的三种情况过阻尼过阻尼临界阻尼临界阻尼欠阻尼欠阻尼特征根：特征根：LCLRLRLCLRRP1)2(22/422二二个个不不等等负负实实根根 2CLR 二二个个相相等等负负实实根根 2CLR 二二个个共共轭轭复复根根 2CLR 2121CttppeAeAu 2 ) 1 ( CLR0210C)0 (UAAUu02211)0(APAPtuCdd0121201221UPPPAUPPPA)(2112120ttCPePPeP

13、PPUu)()(21120CttcpepePPLUtuCidd)()(2121120ttLpePpePPPUtiLuddU0uctm2tmuLicuc 的解答形式：的解答形式：经常写为：经常写为：)sin( tAeutC共轭复根共轭复根 2 )2( CLR LCLRLRP1)2(222,1( (谐谐振振角角频频率率) ) ( (衰衰减减系系数数) ), ,令令 1 20LCLR： 220(固有振荡角频率)(固有振荡角频率) jP )( 21)(2121tjtjttptpCeAeAeeAeAu0cossin)(0)0(sin)0(00AAdtduUAUuCC由由初初始始条条件件 )sin( 00

14、teUutC )sin( 00teUutCarctgUA， sin00，的的关系关系0sin00UA( (谐谐振振角角频频率率) ) ( (衰衰减减系系数数) ), ,令令 1 20LCLR： 220(固有振荡角频率)(固有振荡角频率)2 2 2220fft-2- 20U0uC iC零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。uC(0)=0 , iL(0)=0微分方程为：微分方程为：通解通解特解特解特解特解: : 特征方程为特征方程为:RLC+-uCiLUS (t)+-CCCuuu S2dddd UutuRCtuLCCCC012 RCPLCPSCUu

15、)( 2121S21pppeApeAUuttC) ( 21 2 1SPPteAeAUuttC)( )sin(21 SjPtAeUutC、tuCUS0四、四、MOSMOS数学模型数学模型MOSMOS等效驱动电路等效驱动电路模型模型：相当于一个二阶响应电路。相当于一个二阶响应电路。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:31-Aug-2007Sheet of File:E:workTEMP仿真仿真仿真.DdbDrawn By:QLRgCgsDRIVEVCC12VL L为为PCB走线电感，根据他人经验其值为直走线走线电感，根据他人经验其值为直

16、走线1nH/mm，考虑其他走线因素，取考虑其他走线因素，取L=Length+10（nH），其中），其中Length单位取单位取mm。RgRg为栅极驱动电阻，设驱动信号为为栅极驱动电阻，设驱动信号为12V峰值的方波。峰值的方波。CgsCgs为为MOSFET栅源极电容，不同的管子及不同的驱动栅源极电容，不同的管子及不同的驱动电压时会不一样，这儿取电压时会不一样，这儿取1nF。VL+VRg+VCgs=12VVL+VRg+VCgs=12V令驱动电流令驱动电流得到关于得到关于Cgs上的驱动电压微分方程：上的驱动电压微分方程：L C2t2( )VCgs tCt( )VCgs tR( )VCgs tVdr0

17、拉普拉斯变换得到变换函数拉普拉斯变换得到变换函数)1(2LCLsRsLCVdrGg不同实根时是个过阻尼震荡，有两个相同实根时是临界阻尼震荡，当有虚根时不同实根时是个过阻尼震荡，有两个相同实根时是临界阻尼震荡，当有虚根时是欠阻尼震荡，此时会在是欠阻尼震荡，此时会在MOSFET栅极产生上下震荡的波形，这是我们不希望看栅极产生上下震荡的波形，这是我们不希望看到的，因此栅极电阻到的，因此栅极电阻Rg阻值的选择要使其工作在临界阻尼和过阻尼状态，考虑到阻值的选择要使其工作在临界阻尼和过阻尼状态，考虑到参数误差实际上都是工作在过阻尼状态。参数误差实际上都是工作在过阻尼状态。)1(2LCLsRsLCsVdrG

18、g二二个个不不等等负负实实根根 2CLR 动态工作的时候动态工作的时候MOSMOS等效驱动电等效驱动电路路模型模型：依然可以用二阶响应依然可以用二阶响应电路来分析。电路来分析。（1 1）L LG G和和L LG G代表封装端到实际的代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。栅极线路的电感和电阻。 （2 2）C C1 1代表从栅极到源端代表从栅极到源端N+N+间的间的电容，它的值是由结构所固定的。电容，它的值是由结构所固定的。 （3 3）C2+C4C2+C4代表从栅极到源极代表从栅极到源极P P区区间的电容。间的电容。C C2 2是电介质电容，共值是电介质电容，共值是固定的。而是固定的。而C4C4

19、是由源极到漏极是由源极到漏极的耗尽区的大小决定，并随栅极的耗尽区的大小决定，并随栅极电压的大小而改变。当栅极电压电压的大小而改变。当栅极电压从从0 0升到开启电压升到开启电压U UGSGS（thth）时，时，C C4 4使使整个栅源电容增加整个栅源电容增加10%10%15%15%。 （4 4）C C3 3+C+C5 5是由一个固定大是由一个固定大小的电介质电容和一个可变小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏极电压改变电容构成，当漏极电压改变极性时，其可变电容值变得极性时，其可变电容值变得相当大。相当大。 （5 5）C C6 6是随漏极电压变换的是随漏极电压变换的漏源电容。漏源电容。 栅极电荷栅

20、极电荷QG是使栅极电压从是使栅极电压从0升到升到10V所需的栅极电荷，它可以表示所需的栅极电荷，它可以表示为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分分MOS管的栅极电荷管的栅极电荷QG值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。 栅极电荷栅极电荷QG包含了两个部分：栅极到源极电荷包含了两个部分：栅极到源极电荷QGS；栅极到漏极电；栅极到漏极电荷荷QGD即即“Miller”电荷。电荷。QGS是使栅极电压从是使栅极电压从0升到门限值（约升到门限值（约3V）所）所需电荷；需电荷；QGD是漏极电压下

21、降时克服是漏极电压下降时克服“Miller”效应所需电荷，这存在于效应所需电荷，这存在于UGS曲线比较平坦的第二段曲线比较平坦的第二段，此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极，此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急聚下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电流限。实际的电压急聚下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电流限。实际的QG还可以还可以略大，以减小等效略大，以减小等效RON，但是太大也无益，所以，但是太大也无益，所以10V到到12V的驱动电压是的驱动电压是比较合理的。比较合理的。 在尾部在尾部需要一个高的尖峰电流以减小需要一个高的尖峰电流以减小MOS管损耗和转换时间。管损耗和转换时间。栅极电荷栅极电荷QG和驱动效果的关系和驱动效果的关系)(5 . 22)(5 . 22)()()()(thGDDossMDthGissondthGDDossMDthGissGondGUUCgIUCtIUUCgIUCQtIQ栅极尖峰电流栅极尖峰电流Id的计算：电荷必须完全满足开关时期的寄生电的计算：电荷必须完全满足开关时期的寄生电容所需容所需。实际实际栅极栅极平均平均电流