MOSFET原理、功率MOS及其应用课件.ppt
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- 关 键 词:
- MOSFET 原理 功率 MOS 及其 应用 课件
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1、MOSFET原理介绍与应用田毅内容v概述v原理介绍v低频小信号放大电路v功率MOSFETv应用概述vMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)金属-氧化层-半导体-场效应晶体管 v v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v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。v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)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,单极型器件(只有一种载流子,N N:电子,:电子,P P:空
2、穴):空穴)耗尽型耗尽型增强型增强型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N沟道沟道(耗尽型)(耗尽型)FET场效应管场效应管JFET结型结型耗尽型耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道场效应管的分类:场效应管的分类:MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)1 1 原理介绍原理介绍增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管MOSMOS场效应管分类场效应管分类1 MOS场效应管场效应管MOSMOS场
3、效应管场效应管N N沟道增强型的沟道增强型的MOSMOS管管P P沟道增强型的沟道增强型的MOSMOS管管N N沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOSMOS管管P P沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOSMOS管管1 MOS场效应管场效应管一、一、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极DD集电极集电极C C源极源极SS发射极发射极E E绝缘栅极绝缘栅极GG基极基极B B衬底衬底B B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOSMOS管管1 MOS场效应管场效应管动画五 当当V VGSGS较小较小时
4、,虽然在时,虽然在P P型型衬底表面形成一层衬底表面形成一层耗尽层耗尽层,但负,但负离子不能导电。离子不能导电。当当V VGSGS=V=VT T时时,在在P P型衬底表型衬底表面形成一层面形成一层电子层电子层,形成,形成N N型导型导电沟道,在电沟道,在V VDSDS的作用下形成的作用下形成i iD D。二、二、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理增强型增强型MOSMOS管管VDSiD+-+-+-VGS反型层反型层 当当V VGSGS=0V=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PNPN结,无论结,无论V VDSDS之间加什么电压都不会在
5、之间加什么电压都不会在D D、S S间形成电流间形成电流i iD D,即即i iD D0.0.当当V VGSGSVVT T时时,沟道加厚,沟道加厚,沟道电阻减少,沟道电阻减少,在相同在相同V VDSDS的作的作用下,用下,i iD D将进一步增加。将进一步增加。开始时无导电沟道,当在开始时无导电沟道,当在V VGSGS V VT时才形成沟道时才形成沟道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOSMOS管管动画六一一方方面面 MOSFETMOSFET是利用栅源电压是利用栅源电压的大小,来改变半导体表的大小,来改变半导体表面感生电荷的多少,从而面感生电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。
6、控制漏极电流的大小。当当V VGSGSV VT T,且固定为某一值时,来分析漏源电压,且固定为某一值时,来分析漏源电压V VDSDS的不同变化对导电沟道和漏极电流的不同变化对导电沟道和漏极电流I ID D的影响。的影响。V VDSDS=V VDGDGV VGSGS =V VGDGDV VGSGS V VGDGD=V VGSGSV VDSDS 当当V VDSDS为为0 0或较小时,或较小时,相当相当 V VGDGDV VT T,此时此时V VDSDS 基本均匀降基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分落在沟道中,沟道呈斜线分布。在布。在V VDSDS作用下形成作用下形成I ID D增强型增强型MOSM
7、OS管管1 MOS场效应管场效应管另一方面另一方面,漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用当当V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD=V VT T时,时,当当V VDSDS增加到增加到V VGDGD V VT T时,时,增强型增强型MOSMOS管管 这相当于这相当于V VDSDS增加使漏极处沟道缩增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为减到刚刚开启的情况,称为预夹断预夹断。此时的此时的漏极电流漏极电流I ID D 基本饱和。基本饱和。此时预夹断区域加长,伸向此时预夹断区域加长,伸向S S极。极。V VDSDS增加的部分基本降落在随之增加的部分
8、基本降落在随之加长的夹断沟道上,加长的夹断沟道上,I ID D基本趋于不基本趋于不变。变。1 MOS场效应管场效应管另一方面另一方面,漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用V VGDGD=V VGSGSV VDSDS三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管i iD D=f f(v vGSGS)v vDSDS=C=C 转移特性曲线转移特性曲线i iD D=f f(v vDSDS)v vGSGS=C=C 输出特性曲线输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当当v vGSGS变化时,变化时,R
9、RONON将将随之变化,因此称随之变化,因此称之为之为可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区(饱和区饱和区):v vGSGS一定时,一定时,i iD D基本基本不随不随v vDSDS变化而变化。变化而变化。vGS/VDTGSDTGSTGSDDiVvIVvVvIi时的是2)()1(020一、一、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+耗尽型耗尽型MOSMOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道1 MOS场效应管场效应管耗尽型耗尽型MOSMOS管管二、二、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理 当当V VGS
10、GS=0=0时,时,V VDSDS加正向电压,产加正向电压,产生漏极电流生漏极电流i iD D,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流,用,用I IDSSDSS表示。表示。当当V VGSGS0 0时时,将使将使i iD D进一步增加进一步增加。当当V VGSGS0 0时,随着时,随着V VGSGS的减小漏的减小漏极电流逐渐极电流逐渐减小减小,直至,直至i iD D=0=0,对应,对应i iD D=0=0的的V VGSGS称为夹断电压,用符号称为夹断电压,用符号V VP P表示。表示。VGS(V)iD(mA)VP1 MOS场效应管场效应管N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMO
11、S管可工作在管可工作在V VGSGS 0 0或或V VGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在V VGSGS00耗尽型耗尽型MOSMOS管管三、三、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线1 MOS场效应管场效应管VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线转移特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的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1 MOS场效应管场效应管绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型1 MOS场效应管场效应管场效应管的主要参数场效应管的主要参数2.2.夹
12、断电压夹断电压V VP P:是耗尽型:是耗尽型FETFET的参数,当的参数,当V VGSGS=V VP P 时时,漏极电流为漏极电流为零。零。3.3.饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当V VGSGS=0=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1.1.开启电压开启电压V VT T:MOSMOS增强型管的参数,栅源电压小于开启增强型管的参数,栅源电压小于开启电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。1 MOS场效应管场效应管4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压V VGSGS
13、与流过栅极与流过栅极电流电流I IGSGS之比。结型之比。结型:大于大于10107 7,绝缘栅,绝缘栅:10109 910101515。5.5.漏源击穿电压漏源击穿电压V V(BR)DS(BR)DS:使使I ID D开始剧增时的开始剧增时的V VDSDS。6.6.栅源击穿电压栅源击穿电压V V(BR)(BR)GSGSJFETJFET:反向饱和电流剧增时的栅源电压:反向饱和电流剧增时的栅源电压MOSMOS:使:使SiOSiO2 2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压7.7.低频跨导低频跨导g gm m :反映了栅源压对漏极电流的控制作用。:反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CVGSDmDSdvdig
14、1 MOS场效应管场效应管8.8.输出电阻输出电阻r rdsdsCVDDSdGSdidvrs9.9.极间电容极间电容CgsCgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容CgdCgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容2 2 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管偏置电路场效应管偏置电路三种基本放大电路三种基本放大电路2 场效应场效应管放大电管放大电路路FETFET小信号模型小信号模型为什么要设定一个静态工作点v无静态工作点,小信号加到栅源端,管子不工作v静态管工作点设在输入曲线接近直线段中点v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
15、大后失真严重,并且信号稍大就会部分进入截止区2 场效应场效应管放大电管放大电路路一、场效应管偏置电路一、场效应管偏置电路1 1、自给偏置电路、自给偏置电路场效应管偏置电路的场效应管偏置电路的关键关键是如何是如何提供栅源控制电压提供栅源控制电压UGS自给偏置电路:自给偏置电路:适合结型场效应管和耗尽型适合结型场效应管和耗尽型MOSMOS管管外加偏置电路:外加偏置电路:适合增强型适合增强型MOSMOS管管UGS=UG-US=-ISRS-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自给偏置电路基本自给偏置电路2 场效应场效应管放大电管放大电路路
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