MOS基本原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1、 MOS結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)1 1 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管基本知識(shí)場(chǎng)效應(yīng)管基本知識(shí)2 2 基本數(shù)學(xué)方程基本數(shù)學(xué)方程3 3 LCLC暫態(tài)過(guò)程暫態(tài)過(guò)程4 4 MOS MOS數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 空穴空穴+N型半導(dǎo)體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)一、一、MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管基本知場(chǎng)效應(yīng)管基本知識(shí)識(shí) 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭昭ㄅ鹪优鹪庸柙庸柙?4+4+4+4+4+4

2、+3+4+4多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子受主離子空穴空穴電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體MOS場(chǎng)效應(yīng)管 BJT是一種電流控制元件是一種電流控制元件(iB iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道FET分類(lèi)：分類(lèi)： 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管（場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱FET）是一種

3、電壓控）是一種電壓控制器件制器件(uGS iD) ，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。是單極型器件。 FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管 金屬氧化物半導(dǎo)體金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱MOSFET。分為：分為： 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道 1.1.N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型M

4、OS管管 （1 1）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 4個(gè)電極：漏極個(gè)電極：漏極D，源極源極S，柵極，柵極G和和 襯底襯底B。-gsdb符號(hào)：符號(hào)：-N+NP襯底sgdb源極柵極漏極襯底 當(dāng)當(dāng)uGS0V時(shí)時(shí)縱向電場(chǎng)縱向電場(chǎng)將靠近柵極下方的空穴向?qū)⒖拷鼥艠O下方的空穴向下排斥下排斥耗盡層。耗盡層。（2 2）工作原理）工作原理 當(dāng)當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。 再增加再增加uGS縱向電場(chǎng)縱向電場(chǎng)將將P區(qū)少子電子聚集到區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，形成導(dǎo)電溝道，如果

5、此時(shí)加有漏源電壓，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流就可以形成漏極電流id。柵源電壓柵源電壓uGS的控制作用的控制作用-P襯底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid 2.N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：特點(diǎn)： 當(dāng)當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，時(shí)，就有溝道，加入加入uDS，就有就有iD。 當(dāng)當(dāng)uGS0時(shí)，溝道增寬，時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。進(jìn)一步增加。 當(dāng)當(dāng)uGS0時(shí)，溝道變窄，時(shí)，溝道變窄，iD減小。減小。 在柵極下方的在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出

6、反型層，形成了溝道。時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。 定義：定義： 夾斷電壓（夾斷電壓（ UP）溝道剛剛消失所需的柵源電壓溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。-g漏極s+N襯底P襯底源極d柵極bN+ +-sbgd3 3 . .場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)(1) 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UT UT 是是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值, 場(chǎng)效應(yīng)管不場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。能導(dǎo)通。 （2）夾斷電壓）夾斷電壓UP UP 是是MOS耗盡型和結(jié)型耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)?shù)膮?shù)，當(dāng)uGS=UP時(shí)時(shí),漏極電流為零。漏極電流為零。 （

7、3）飽和漏極電流）飽和漏極電流IDSS MOS耗盡型和結(jié)型耗盡型和結(jié)型FET, 當(dāng)當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。 （4）輸入電阻）輸入電阻RGS 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS大于大于107，MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管, RGS可達(dá)可達(dá)1091015。（5） 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm gm反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，單位是反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門(mén)子毫西門(mén)子)。（6） 最大漏極功耗最大漏極功耗PDM PDM= UDS ID，與雙極型三極管的，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。相當(dāng)。等效電路OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài)小信號(hào)模型分析法小信號(hào)模型分析法

8、 在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，用高頻模型分析二、基本數(shù)學(xué)方程二、基本數(shù)學(xué)方程xixeixsincos 很偉大的一個(gè)公式！RCtptcccKeKetuRCpRCpudtduRC)(1010基本的高數(shù)公式，一階其次方程求解。帶入初始條件，確定K值。RCtcceUtuUKUu000)()0(0)(dddddd01111ttexatxatxatxannnnnn0)(dddd01222ttexatxatxa二階電路中有二個(gè)動(dòng)態(tài)元件二階電路中有二個(gè)動(dòng)態(tài)元件, ,描述電路的方程是二階線性描述電路的方程是二階線性微分方程。微分方程。一般一般LCLC電路就可以使用該方程求解。電路就可以使用該方程求解。電路中有多個(gè)動(dòng)態(tài)元件

9、，描述電路的方程是高階微分方電路中有多個(gè)動(dòng)態(tài)元件，描述電路的方程是高階微分方程。程。三、三、R R、L L、C C暫態(tài)過(guò)程暫態(tài)過(guò)程1.1.RC電路的零輸入響應(yīng)電路的零輸入響應(yīng)iS(t=0)+uRC+uCR已知已知 uC (0)=U0 uR= RituCiCdd0CRuu0)0(0ddUuutuRCCCC0 0teUuRCtc000teIeRURuiRCtRCtC2 2. .RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路的零狀態(tài)響應(yīng)iS(t=0)US+uRC+uCRuC (0)=0+SCCddUutuRCCCCuuu 解答形式為：解答形式為：特解（強(qiáng)制分量）特解（強(qiáng)制分量）Cu的特解的特解SCCddUutuRCSCU

10、u通解（暫態(tài)分量）通解（暫態(tài)分量）Cu 的通解的通解0ddCCutuRCRCtAeu C) 0( )1 ( S SSCteUeUUuRCtRCtRCteRUtuCiSCdd3 3. . RL電路的零輸入響應(yīng)電路的零輸入響應(yīng)iLS(t=0)USL+uLRR1+-01)0 ()0 (IRRUiiSLL00ddLLtRitiL0) (00LteIeItitLRptRLtLLeRItiLtu/ 0)(ddtiLtuLLdd)(基本關(guān)系基本關(guān)系tuCtiCdd)(4 4. . RL電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路的零狀態(tài)響應(yīng))1 (SLtLReRUiiLS(t=0)US+uRL+uLR+SLLUiRtiLddLLL

11、iii RUiSLA0)0 (tLRLAeRUiStLReUtiLuSLLddteftf)(f)0()(f)(三要素法分析一階電路三要素法分析一階電路5 5. . 二階電路的響應(yīng)二階電路的響應(yīng)零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，放電過(guò)程。放電過(guò)程。零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無(wú)電壓，零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無(wú)電壓，充電過(guò)程。充電過(guò)程。初始：uC(0+)=U0 i(0+)=0以電容電壓為變量：以電容電壓為變量：電路方程：電路方程：以電感電流為變量：以電感電流為變量：RLC+-iuc0CLuuRitiLutuCiLCdddd 02CCCutuRCtuLCdddd02

12、itiRCtiLCdddd012 RCPLCP特征方程：特征方程：零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，放電過(guò)程。零輸入響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上有電壓，放電過(guò)程。零狀態(tài)響應(yīng)的三種情況零狀態(tài)響應(yīng)的三種情況過(guò)阻尼過(guò)阻尼臨界阻尼臨界阻尼欠阻尼欠阻尼特征根：特征根：LCLRLRLCLRRP1)2(22/422二二個(gè)個(gè)不不等等負(fù)負(fù)實(shí)實(shí)根根 2CLR 二二個(gè)個(gè)相相等等負(fù)負(fù)實(shí)實(shí)根根 2CLR 二二個(gè)個(gè)共共軛軛復(fù)復(fù)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：經(jīng)常寫(xiě)為：經(jīng)常寫(xiě)為：)sin( tAeutC共軛復(fù)根共軛復(fù)根 2 )2( CLR LCLRLRP1)2(222,1( (諧諧振振角角頻頻率率) ) ( (衰衰減減系系數(shù)數(shù)) ), ,令令 1 20LCLR： 220(固有振蕩角頻率)(固有振蕩角頻率) jP )( 21)(2121tjtjttptpCeAeAeeAeAu0cossin)(0)0(sin)0(00AAdtduUAUuCC由由初初始始條條件件 )sin( 00

14、teUutC )sin( 00teUutCarctgUA， sin00，的的關(guān)系關(guān)系0sin00UA( (諧諧振振角角頻頻率率) ) ( (衰衰減減系系數(shù)數(shù)) ), ,令令 1 20LCLR： 220(固有振蕩角頻率)(固有振蕩角頻率)2 2 2220fft-2- 20U0uC iC零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無(wú)電壓，充電過(guò)程。零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)電容上無(wú)電壓，充電過(guò)程。uC(0)=0 , iL(0)=0微分方程為：微分方程為：通解通解特解特解特解特解: : 特征方程為特征方程為:RLC+-uCiLUS (t)+-CCCuuu S2dddd UutuRCtuLCCCC012 RCPLCPSCUu

15、)( 2121S21pppeApeAUuttC) ( 21 2 1SPPteAeAUuttC)( )sin(21 SjPtAeUutC、tuCUS0四、四、MOSMOS數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型MOSMOS等效驅(qū)動(dòng)電路等效驅(qū)動(dòng)電路模型模型：相當(dāng)于一個(gè)二階響應(yīng)電路。相當(dāng)于一個(gè)二階響應(yīng)電路。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:31-Aug-2007Sheet of File:E:workTEMP仿真仿真仿真.DdbDrawn By:QLRgCgsDRIVEVCC12VL L為為PCB走線電感，根據(jù)他人經(jīng)驗(yàn)其值為直走線走線電感，根據(jù)他人經(jīng)驗(yàn)其值為直

16、走線1nH/mm，考慮其他走線因素，取考慮其他走線因素，取L=Length+10（nH），其中），其中Length單位取單位取mm。RgRg為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為12V峰值的方波。峰值的方波。CgsCgs為為MOSFET柵源極電容，不同的管子及不同的驅(qū)動(dòng)?xùn)旁礃O電容，不同的管子及不同的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)會(huì)不一樣，這兒取電壓時(shí)會(huì)不一樣，這兒取1nF。VL+VRg+VCgs=12VVL+VRg+VCgs=12V令驅(qū)動(dòng)電流令驅(qū)動(dòng)電流得到關(guān)于得到關(guān)于Cgs上的驅(qū)動(dòng)電壓微分方程：上的驅(qū)動(dòng)電壓微分方程：L C2t2( )VCgs tCt( )VCgs tR( )VCgs tVdr0

17、拉普拉斯變換得到變換函數(shù)拉普拉斯變換得到變換函數(shù))1(2LCLsRsLCVdrGg不同實(shí)根時(shí)是個(gè)過(guò)阻尼震蕩，有兩個(gè)相同實(shí)根時(shí)是臨界阻尼震蕩，當(dāng)有虛根時(shí)不同實(shí)根時(shí)是個(gè)過(guò)阻尼震蕩，有兩個(gè)相同實(shí)根時(shí)是臨界阻尼震蕩，當(dāng)有虛根時(shí)是欠阻尼震蕩，此時(shí)會(huì)在是欠阻尼震蕩，此時(shí)會(huì)在MOSFET柵極產(chǎn)生上下震蕩的波形，這是我們不希望看柵極產(chǎn)生上下震蕩的波形，這是我們不希望看到的，因此柵極電阻到的，因此柵極電阻Rg阻值的選擇要使其工作在臨界阻尼和過(guò)阻尼狀態(tài)，考慮到阻值的選擇要使其工作在臨界阻尼和過(guò)阻尼狀態(tài)，考慮到參數(shù)誤差實(shí)際上都是工作在過(guò)阻尼狀態(tài)。參數(shù)誤差實(shí)際上都是工作在過(guò)阻尼狀態(tài)。)1(2LCLsRsLCsVdrG

18、g二二個(gè)個(gè)不不等等負(fù)負(fù)實(shí)實(shí)根根 2CLR 動(dòng)態(tài)工作的時(shí)候動(dòng)態(tài)工作的時(shí)候MOSMOS等效驅(qū)動(dòng)電等效驅(qū)動(dòng)電路路模型模型：依然可以用二階響應(yīng)依然可以用二階響應(yīng)電路來(lái)分析。電路來(lái)分析。（1 1）L LG G和和L LG G代表封裝端到實(shí)際的代表封裝端到實(shí)際的柵極線路的電感和電阻。柵極線路的電感和電阻。 （2 2）C C1 1代表從柵極到源端代表從柵極到源端N+N+間的間的電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。 （3 3）C2+C4C2+C4代表從柵極到源極代表從柵極到源極P P區(qū)區(qū)間的電容。間的電容。C C2 2是電介質(zhì)電容，共值是電介質(zhì)電容，共值是固定的。而是固定的。而C4C4

19、是由源極到漏極是由源極到漏極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓從從0 0升到開(kāi)啟電壓升到開(kāi)啟電壓U UGSGS（thth）時(shí)，時(shí)，C C4 4使使整個(gè)柵源電容增加整個(gè)柵源電容增加10%10%15%15%。 （4 4）C C3 3+C+C5 5是由一個(gè)固定大是由一個(gè)固定大小的電介質(zhì)電容和一個(gè)可變小的電介質(zhì)電容和一個(gè)可變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變極性時(shí)，其可變電容值變得極性時(shí)，其可變電容值變得相當(dāng)大。相當(dāng)大。 （5 5）C C6 6是隨漏極電壓變換的是隨漏極電壓變換的漏源電容。漏源電容。 柵極電荷柵

20、極電荷QG是使柵極電壓從是使柵極電壓從0升到升到10V所需的柵極電荷，它可以表示所需的柵極電荷，它可以表示為驅(qū)動(dòng)電流值與開(kāi)通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積?，F(xiàn)在大部為驅(qū)動(dòng)電流值與開(kāi)通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現(xiàn)在大部分分MOS管的柵極電荷管的柵極電荷QG值從幾十納庫(kù)侖到一、兩百納庫(kù)侖。值從幾十納庫(kù)侖到一、兩百納庫(kù)侖。 柵極電荷柵極電荷QG包含了兩個(gè)部分：柵極到源極電荷包含了兩個(gè)部分：柵極到源極電荷QGS；柵極到漏極電；柵極到漏極電荷荷QGD即即“Miller”電荷。電荷。QGS是使柵極電壓從是使柵極電壓從0升到門(mén)限值（約升到門(mén)限值（約3V）所）所需電荷；需電荷；QGD是漏極電壓下

21、降時(shí)克服是漏極電壓下降時(shí)克服“Miller”效應(yīng)所需電荷，這存在于效應(yīng)所需電荷，這存在于UGS曲線比較平坦的第二段曲線比較平坦的第二段，此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極，此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降，也就是在這時(shí)候需要驅(qū)動(dòng)尖峰電流限。實(shí)際的電壓急聚下降，也就是在這時(shí)候需要驅(qū)動(dòng)尖峰電流限。實(shí)際的QG還可以還可以略大，以減小等效略大，以減小等效RON，但是太大也無(wú)益，所以，但是太大也無(wú)益，所以10V到到12V的驅(qū)動(dòng)電壓是的驅(qū)動(dòng)電壓是比較合理的。比較合理的。 在尾部在尾部需要一個(gè)高的尖峰電流以減小需要一個(gè)高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間。管損耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間。柵極電荷柵極電荷QG和驅(qū)動(dòng)效果的關(guān)系和驅(qū)動(dòng)效果的關(guān)系)(5 . 22)(5 . 22)()()()(thGDDossMDthGissondthGDDossMDthGissGondGUUCgIUCtIUUCgIUCQtIQ柵極尖峰電流柵極尖峰電流Id的計(jì)算：電荷必須完全滿足開(kāi)關(guān)時(shí)期的寄生電的計(jì)算：電荷必須完全滿足開(kāi)關(guān)時(shí)期的寄生電容所需容所需。實(shí)際實(shí)際柵極柵極平均平均電流