場效應管 使用原則
即金屬-氧化物-半導體型場效應管,英文縮寫為MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor),屬於絕緣柵型。其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有壹層二氧化矽絕緣層,因此具有很高的輸入電阻(最高可達1015Ω)。它也分N溝道管和P溝道管,符號如圖1所示。通常是將襯底(基板)與源極S接在壹起。根據導電方式的不同,MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指:當VGS=0時管子是呈截止狀態,加上正確的VGS後,多數載流子被吸引到柵極,從而“增強”了該區域的載流子,形成導電溝道。耗盡型則是指,當VGS=0時即形成溝道,加上正確的VGS時,能使多數載流子流出溝道,因而“耗盡”了載流子,使管子轉向截止。
以N溝道為例,它是在P型矽襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴散區N+和漏擴散區N+,再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內部連通,二者總保持等電位。圖1(a)符號中的前頭方向是從外向電,表示從P型材料(襯底)指身N型溝道。當漏接電源正極,源極接電源負極並使VGS=0時,溝道電流(即漏極電流)ID=0。隨著VGS逐漸升高,受柵極正電壓的吸引,在兩個擴散區之間就感應出帶負電的少數載流子,形成從漏極到源極的N型溝道,當VGS大於管子的開啟電壓VTN(壹般約為+2V)時,N溝道管開始導通,形成漏極電流ID。
國產N溝道MOSFET的典型產品有3DO1、3DO2、3DO4(以上均為單柵管),4DO1(雙柵管)。它們的管腳排列(底視圖)見圖2。
MOS場效應管比較“嬌氣”。這是由於它的輸入電阻很高,而柵-源極間電容又非常小,極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電,而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓(U=Q/C),將管子損壞。因此了廠時各管腳都絞合在壹起,或裝在金屬箔內,使G極與S極呈等電位,防止積累靜電荷。管子不用時,全部引線也應短接。在測量時應格外小心,並采取相應的防靜電感措施。下面介紹檢測方法。
1.準備工作
測量之前,先把人體對地短路後,才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接壹條導線與大地連通,使人體與大地保持等電位。再把管腳分開,然後拆掉導線。
2.判定電極
將萬用表撥於R×100檔,首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大,證明此腳就是柵極G。交換表筆重測量,S-D之間的電阻值應為幾百歐至幾千歐,其中阻值較小的那壹次,黑表筆接的為D極,紅表筆接的是S極。日本生產的3SK系列產品,S極與管殼接通,據此很容易確定S極。
3.檢查放大能力(跨導)
將G極懸空,黑表筆接D極,紅表筆接S極,然後用手指觸摸G極,表針應有較大的偏轉。雙柵MOS場效應管有兩個柵極G1、G2。為區分之,可用手分別觸摸G1、G2極,其中表針向左側偏轉幅度較大的為G2極。
目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護二極管,平時就不需要把各管腳短路了。
VMOS場效應管
VMOS場效應管(VMOSFET)簡稱VMOS管或功率場效應管,其全稱為V型槽MOS場效應管。它是繼MOSFET之後新發展起來的高效、功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高(≥108W)、驅動電流小(左右0.1μA左右),還具有耐壓高(最高可耐壓1200V)、工作電流大(1.5A~100A)、輸出功率高(1~250W)、跨導的線性好、開關速度快等優良特性。正是由於它將電子管與功率晶體管之優點集於壹身,因此在電壓放大器(電壓放大倍數可達數千倍)、功率放大器、開關電源和逆變器中正獲得廣泛應用。
眾所周知,傳統的MOS場效應管的柵極、源極和漏極大大致處於同壹水平面的芯片上,其工作電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不同,從圖1上可以看出其兩大結構特點:第壹,金屬柵極采用V型槽結構;第二,具有垂直導電性。由於漏極是從芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平流動,而是自重摻雜N+區(源極S)出發,經過P溝道流入輕摻雜N-漂移區,最後垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示,因為流通截面積增大,所以能通過大電流。由於在柵極與芯片之間有二氧化矽絕緣層,因此它仍屬於絕緣柵型MOS場效應管。
國內生產VMOS場效應管的主要廠家有877廠、天津半導體器件四廠、杭州電子管廠等,典型產品有VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六種VMOS管的主要參數。其中,IRFPC50的外型如圖3所示。
下面介紹檢測VMOS管的方法。
1.判定柵極G
將萬用表撥至R×1k檔分別測量三個管腳之間的電阻。若發現某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大,並且交換表筆後仍為無窮大,則證明此腳為G極,因為它和另外兩個管腳是絕緣的。
2.判定源極S、漏極D
由圖1可見,在源-漏之間有壹個PN結,因此根據PN結正、反向電阻存在差異,可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻,其中電阻值較低(壹般為幾千歐至十幾千歐)的壹次為正向電阻,此時黑表筆的是S極,紅表筆接D極。
3.測量漏-源通態電阻RDS(on)
將G-S極短路,選擇萬用表的R×1檔,黑表筆接S極,紅表筆接D極,阻值應為幾歐至十幾歐。
由於測試條件不同,測出的RDS(on)值比手冊中給出的典型值要高壹些。例如用500型萬用表R×1檔實測壹只IRFPC50型VMOS管,RDS(on)=3.2W,大於0.58W(典型值)。
4.檢查跨導
將萬用表置於R×1k(或R×100)檔,紅表筆接S極,黑表筆接D極,手持螺絲刀去碰觸柵極,表針應有明顯偏轉,偏轉愈大,管子的跨導愈高。
註意事項:
(1)VMOS管亦分N溝道管與P溝道管,但絕大多數產品屬於N溝道管。對於P溝道管,測量時應交換表筆的位置。
(2)有少數VMOS管在G-S之間並有保護二極管,本檢測方法中的1、2項不再適用。
(3)目前市場上還有壹種VMOS管功率模塊,專供交流電機調速器、逆變器使用。例如美國IR公司生產的IRFT001型模塊,內部有N溝道、P溝道管各三只,構成三相橋式結構。
(4)現在市售VNF系列(N溝道)產品,是美國Supertex公司生產的超高頻功率場效應管,其最高工作頻率fp=120MHz,IDSM=1A,PDM=30W,***源小信號低頻跨導gm=2000μS。適用於高速開關電路和廣播、通信設備中。
(5)使用VMOS管時必須加合適的散熱器後。以VNF306為例,該管子加裝140×140×4(mm)的散熱器後,最大功率才能達到30W
場效應晶體管
場效應晶體管(FET)簡稱場效應管,它屬於電壓控制型半導體器件,具有輸入電阻高(108~109Ω)、噪聲小、功耗低、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。
場效應管分結型、絕緣柵型兩大類。結型場效應管(JFET)因有兩個PN結而得名,絕緣柵型場效應管(JGFET)則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場效應管中,應用最為廣泛的是MOS場效應管,簡稱MOS管(即金屬-氧化物-半導體場效應管MOSFET);此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應管,以及最近剛問世的πMOS場效應管、VMOS功率模塊等。
按溝道半導體材料的不同,結型和絕緣柵型各分溝道和P溝道兩種。若按導電方式來劃分,場效應管又可分成耗盡型與增強型。結型場效應管均為耗盡型,絕緣柵型場效應管既有耗盡型的,也有增強型的。
場效應晶體管可分為結場效應晶體管和MOS場效應晶體管。而MOS場效應晶體管又分為N溝耗盡型和增強型;P溝耗盡型和增強型四大類。見附圖1。
MOS場效應晶體管使用註意事項。
MOS場效應晶體管在使用時應註意分類,不能隨意互換。MOS場效應晶體管由於輸入阻抗高(包括MOS集成電路)極易被靜電擊穿,使用時應註意以下規則:
1. MOS器件出廠時通常裝在黑色的導電泡沫塑料袋中,切勿自行隨便拿個塑料袋裝。也可用細銅線把各個引腳連接在壹起,或用錫紙包裝
2.取出的MOS器件不能在塑料板上滑動,應用金屬盤來盛放待用器件。
3. 焊接用的電烙鐵必須良好接地。
4. 在焊接前應把電路板的電源線與地線短接,再MOS器件焊接完成後在分開。
5. MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機時順序相反。
6.電路板在裝機之前,要用接地的線夾子去碰壹下機器的各接線端子,再把電路板接上去。
7. MOS場效應晶體管的柵極在允許條件下,最好接入保護二極管。在檢修電路時應註意查證原有的保護二極管是否損壞。
場效應管的測試。
下面以常用的3DJ型N溝道結型場效應管為例解釋其測試方法:
3DJ型結型場效應管可看作壹只NPN型的晶體三極管,柵極G對應基極b,漏極D對應集電極c,源極S對應發射極e。所以只要像測量晶體三極管那樣測PN結的正、反向電阻既可。把萬用表撥在R*100擋用黑表筆接場效應管其中壹個電極,紅表筆分別接另外兩極,當出現兩次低電阻時,黑表筆接的就是場效應管的柵極。紅表筆接的就是漏極或源極。對結型場效應管而言,漏極和源極可以互換。對於有4個管腳的結型場效應管,另外壹極是屏蔽極(使用中接地)。
目前常用的結型場效應管和MOS型絕緣柵場效應管的管腳順序如圖2所示。
場效應晶體管的好壞的判斷。
先用MF10型萬用表R*100KΩ擋(內置有15V電池),把負表筆(黑)接柵極(G),正表筆(紅)接源極(S)。給柵、源極之間充電,此時萬用表指針有輕微偏轉。再該用萬用表R*1Ω擋,將負表筆接漏極(D),正表筆接源極(S),萬用表指示值若為幾歐姆,則說明場效應管是好的。