MOS場效應管的原理和檢測
發布時間：2019-08-02 15:33:13來源：
以N溝道為例，它是在P型硅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，源極接電源負極并使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大于管子的開啟電壓VTN（一般約為+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”。這是由于它的輸入電阻很高，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一起，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，并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，先把人體對地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。比較好在手腕上接一條導線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然后拆掉導線。
2．判定電極
將萬用表撥于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，其中阻值較小的那一次，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，然后用手指觸摸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之后新發展起來的高效、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（比較高可耐壓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。正是由于它將電子管與功率晶體管之優點集于一身，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于同一水平面的芯片上，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:第一，金屬柵極采用V型槽結構；第二，具有垂直導電性。由于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，比較后垂直向下到達漏極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。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型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，并且交換表筆后仍為無窮大，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-漏之間有一個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（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，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。
由于測試條件不同，測出的RDS（on）值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實測一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。
4．檢查跨導
將萬用表置于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。
注意事項：
（1）VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數產品屬于N溝道管。對于P溝道管，測量時應交換表筆的位置。
（2）有少數VMOS管在G-S之間并有保護二極管，本檢測方法中的1、2項不再適用。
（3）目前市場上還有一種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，其比較高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號低頻跨導gm=2000μS。適用于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后。以VNF306為例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器后，比較大功率才能達到30W
場效應晶體管
場效應晶體管(FET)簡稱場效應管，它屬于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，應用比較為廣泛的是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，以及比較近剛問世的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。
MOS場效應晶體管使用注意事項。
MOS場效應晶體管在使用時應注意分類，不能隨意互換。MOS場效應晶體管由于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應注意以下規則：
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一起，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器件焊接完成后在分開。
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一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，比較好接入保護二極管。在檢修電路時應注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一只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一個電極，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。對于有4個管腳的結型場效應管，另外一極是屏蔽極（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。
一、用指針式萬用表對場效應管進行判別
（1）用測電阻法判別結型場效應管的電極
根據場效應管的PN結正、反向電阻值不一樣的現象，可以判別出結型場效應管的三個電極。具體方法：將萬用表撥在R×1k檔上，任選兩個電極，分別測出其正、反向電阻值。當某兩個電極的正、反向電阻值相等，且為幾千歐姆時，則該兩個電極分別是漏極D和源極S。因為對結型場效應管而言，漏極和源極可互換，剩下的電極肯定是柵極Ｇ。也可以將萬用表的黑表筆（紅表筆也行）任意接觸一個電極，另一只表筆依次去接觸其余的兩個電極，測其電阻值。當出現兩次測得的電阻值近似相等時，則黑表筆所接觸的電極為柵極，其余兩電極分別為漏極和源極。若兩次測出的電阻值均很大，說明是ＰＮ結的反向，即都是反向電阻，可以判定是Ｎ溝道場效應管，且黑表筆接的是柵極；若兩次測出的電阻值均很小，說明是正向ＰＮ結，即是正向電阻，判定為Ｐ溝道場效應管，黑表筆接的也是柵極。若不出現上述情況，可以調換黑、紅表筆按上述方法進行測試，直到判別出柵極為止。
（2）用測電阻法判別場效應管的好壞
測電阻法是用萬用表測量場效應管的源極與漏極、柵極與源極、柵極與漏極、柵極Ｇ1與柵極Ｇ2之間的電阻值同場效應管手冊標明的電阻值是否相符去判別管的好壞。具體方法：首先將萬用表置于Ｒ×１０或Ｒ×100檔，測量源極Ｓ與漏極Ｄ之間的電阻，通常在幾十歐到幾千歐范圍（在手冊中可知，各種不同型號的管，其電阻值是各不相同的），如果測得阻值大于正常值，可能是由于內部接觸不良；如果測得阻值是無窮大，可能是內部斷極。然后把萬用表置于Ｒ×１０ｋ檔，再測柵極Ｇ1與Ｇ2之間、柵極與源極、柵極與漏極之間的電阻值，當測得其各項電阻值均為無窮大，則說明管是正常的；若測得上述各阻值太小或為通路，則說明管是壞的。要注意，若兩個柵極在管內斷極，可用元件代換法進行檢測。
（3）用感應信號輸人法估測場效應管的放大能力
具體方法：用萬用表電阻的R×100檔，紅表筆接源極Ｓ，黑表筆接漏極Ｄ，給場效應管加上1.5Ｖ的電源電壓，此時表針指示出的漏源極間的電阻值。然后用手捏住結型場效應管的柵極Ｇ，將人體的感應電壓信號加到柵極上。這樣，由于管的放大作用，漏源電壓VDS和漏極電流Iｂ都要發生變化，也就是漏源極間電阻發生了變化，由此可以觀察到表針有較大幅度的擺動。如果手捏柵極表針擺動較小，說明管的放大能力較差；表針擺動較大，表明管的放大能力大；若表針不動，說明管是壞的。
根據上述方法，我們用萬用表的R×100檔，測結型場效應管3DJ2F。先將管的Ｇ極開路，測得漏源電阻RDS為600Ω，用手捏住Ｇ極后，表針向左擺動，指示的電阻RDS為12kΩ，表針擺動的幅度較大，說明該管是好的，并有較大的放大能力。
運用這種方法時要說明幾點：首先，在測試場效應管用手捏住柵極時，萬用表針可能向右擺動（電阻值減小），也可能向左擺動（電阻值增加）。這是由于人體感應的交流電壓較高，而不同的場效應管用電阻檔測量時的工作點可能不同（或者工作在飽和區或者在不飽和區）所致，試驗表明，多數管的RDS增大，即表針向左擺動；少數管的RDS減小，使表針向右擺動。但無論表針擺動方向如何，只要表針擺動幅度較大，就說明管有較大的放大能力。第二，此方法對MOS場效應管也適用。但要注意，MOS場效應管的輸人電阻高，柵極Ｇ允許的感應電壓不應過高，所以不要直接用手去捏柵極，必須用于握螺絲刀的絕緣柄，用金屬桿去碰觸柵極，以防止人體感應電荷直接加到柵極，引起柵極擊穿。第三，每次測量完畢，應當G-S極間短路一下。這是因為G-S結電容上會充有少量電荷，建立起ＶGＳ電壓，造成再進行測量時表針可能不動，只有將G-S極間電荷短路放掉才行。
（4）用測電阻法判別無標志的場效應管
首先用測量電阻的方法找出兩個有電阻值的管腳，也就是源極Ｓ和漏極Ｄ，余下兩個腳為第一柵極G1和第二柵極G2。把先用兩表筆測的源極Ｓ與漏極Ｄ之間的電阻值記下來，對調表筆再測量一次，把其測得電阻值記下來，兩次測得阻值較大的一次，黑表筆所接的電極為漏極Ｄ；紅表筆所接的為源極Ｓ。用這種方法判別出來的Ｓ、Ｄ極，還可以用估測其管的放大能力的方法進行驗證，即放大能力大的黑表筆所接的是Ｄ極；紅表筆所接地是８極，兩種方法檢測結果均應一樣。當確定了漏極Ｄ、源極Ｓ的位置后，按Ｄ、Ｓ的對應位置裝人電路，一般G1、G2也會依次對準位置，這就確定了兩個柵極G1、G2的位置，從而就確定了Ｄ、S、G1、G2管腳的順序。
（5）用測反向電阻值的變化判斷跨導的大小
對ＶＭＯＳ
Ｎ溝道增強型場效應管測量跨導性能時，可用紅表筆接源極Ｓ、黑表筆接漏極Ｄ，這就相當于在源、漏極之間加了一個反向電壓。此時柵極是開路的，管的反向電阻值是很不穩定的。將萬用表的歐姆檔選在R×10kΩ的高阻檔，此時表內電壓較高。當用手接觸柵極Ｇ時，會發現管的反向電阻值有明顯地變化，其變化越大，說明管的跨導值越高；如果被測管的跨導很小，用此法測時，反向阻值變化不大。
二、.場效應管的使用注意事項
（1）為了安全使用場效應管，在線路的設計中不能超過管的耗散功率，比較大漏源電壓、比較大柵源電壓和比較大電流等參數的極限值。
（2）各類型場效應管在使用時，都要嚴格按要求的偏置接人電路中，要遵守場效應管偏置的極性。如結型場效應管柵源漏之間是ＰＮ結，Ｎ溝道管柵極不能加正偏壓；Ｐ溝道管柵極不能加負偏壓，等等。
（3）MOS場效應管由于輸人阻抗極高，所以在運輸、貯藏中必須將引出腳短路，要用金屬屏蔽包裝，以防止外來感應電勢將柵極擊穿。尤其要注意，不能將MOS場效應管放人塑料盒子內，保存時比較好放在金屬盒內，同時也要注意管的防潮。
（4）為了防止場效應管柵極感應擊穿，要求一切測試儀器、工作臺、電烙鐵、線路本身都必須有良好的接地；管腳在焊接時，先焊源極；在連入電路之前，管的全部引線端保持互相短接狀態，焊接完后才把短接材料去掉；從元器件架上取下管時，應以適當的方式確保人體接地如采用接地環等；當然，如果能采用先進的氣熱型電烙鐵，焊接場效應管是比較方便的，并且確保安全；在未關斷電源時，絕對不可以把管插人電路或從電路中拔出。以上安全措施在使用場效應管時必須注意。
（5）在安裝場效應管時，注意安裝的位置要盡量避免靠近發熱元件；為了防管件振動，有必要將管殼體緊固起來；管腳引線在彎曲時，應當大于根部尺寸５毫米處進行，以防止彎斷管腳和引起漏氣等。
對于功率型場效應管，要有良好的散熱條件。因為功率型場效應管在高負荷條件下運用，必須設計足夠的散熱器，確保殼體溫度不超過額定值，使器件長期穩定可靠地工作。
總之，確保場效應管安全使用，要注意的事項是多種多樣，采取的安全措施也是各種各樣，廣大的專業技術人員，特別是廣大的電子愛好者，都要根據自己的實際情況出發，采取切實可行的辦法，安全有效地用好場效應管。
三.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之后新發展起來的高效、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（0.1μA左右），還具有耐壓高（比較高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。正是由于它將電子管與功率晶體管之優點集于一身，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。
VMOS場效應功率管具有極高的輸入阻抗及較大的線性放大區等優點，尤其是其具有負的電流溫度系數，即在柵-源電壓不變的情況下，導通電流會隨管溫升高而減小，故不存在由于“二次擊穿”現象所引起的管子損壞現象。因此，VMOS管的并聯得到廣泛應用。
眾所周知，傳統的MOS場效應管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上，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:第一，金屬柵極采用V型槽結構；第二，具有垂直導電性。由于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，比較后垂直向下到達漏極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。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型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。
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，并且交換表筆后仍為無窮大，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-漏之間有一個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（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，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。
由于測試條件不同，測出的RDS（on）值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實測一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。
4．檢查跨導
將萬用表置于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。
注意事項：
（1）VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數產品屬于N溝道管。對于P溝道管，測量時應交換表筆的位置。
（2）有少數VMOS管在G-S之間并有保護二極管，本檢測方法中的1、2項不再適用。
（3）目前市場上還有一種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，其比較高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號低頻跨導gm=2000μS。適用于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后。以VNF306為例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器后，比較大功率才能達到30W。
（6）多管并聯后，由于極間電容和分布電容相應增加，使放大器的高頻特性變壞，通過反饋容易引起放大器的高頻寄生振蕩。為此，并聯復合管管子一般不超過4個，而且在每管基極或柵極上串接防寄生振蕩電阻。