提升效能的MOS管技术

1.图形符号

增强型MOS管分为N沟道MOS管和P沟道MOS管,其图形符号如图6-14所示。

图6-13 绝缘栅型场效应晶体管的图形符号

a)耗尽型 b)增强型

图6-14 增强型MOS管的图形符号

a)N沟道 b)P沟道

2.结构与原理

增强型MOS管有N沟道和P沟道之分,分别称为增强型NMOS管和增强型PMOS管,其结构与工作原理基本相似,在实际中增强型NMOS管更为常用。下面以增强型NMOS管为例来说明增强型MOS管的结构与工作原理。

(1)结构

增强型NMOS管的结构与等效图形符号如图6-15所示。

增强型NMOS管是以P型硅片作为基片(又称衬底),在基片上制作两个含很多杂质的N型材料,再在上面制作一层很薄的二氧化硅(SiO₂)绝缘层,在两个N型材料上引出两个铝电极,分别称为漏极(D)和源极(S),在两极中间的SiO₂绝缘层上制作一层铝制导电层,从该导电层上引出的电极称为G极。P型衬底与D极连接的N型半导体会形成二极管结构(称之为寄生二极管)。由于P型衬底通常与S极连接在一起,所以增强型NMOS管又可用图6-15b所示的等效图形符号表示。

(2)工作原理

增强型NMOS管需要加合适的电压才能工作。加有电压的增强型NMOS管如图6-16所示,图6-16a所示为结构图形式,图6-16b所示为电路图形式。

图6-15 增强型NMOS管

a)结构 b)等效图形符号

图6-16 加有电压的增强型NMOS管

a)结构图形式 b)电路图形式(www.xing528.com)

如图6-16a所示,电源E₁通过R₁接NMOS管D、S极,电源E₂通过开关S接NMOS管的G、S极。在开关S断开时,NMOS管的G极无电压,D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道,所以两个N区之间不能导通,I_D电流为0A;如果将开关S闭合,NMOS管的G极获得正电压,与G极连接的铝电极有正电荷,它产生的电场穿过SiO₂层,将P衬底的很多电子吸引靠近SiO₂层,从而在两个N区之间出现导电沟道,由于此时D、S极之间加上正向电压,于是有I_D电流从D极流入,再经导电沟道从S极流出。

如果改变E₂电压的大小,也即改变G、S极之间的电压U_GS,与G极相连的铝层产生的电场大小会变化,SiO₂层下面的电子数量也会变化,两个N区之间的沟道宽度会发生变化,流过的I_D电流大小就会变化。U_GS电压越高,沟道就会越宽,I_D电流就会越大。

由此可见,改变G、S极之间的电压U_GS,D、S极之间的内部沟道宽窄就会发生变化，从D极流向S极的I_D电流大小也就发生变化，并且I_D电流变化较U_GS电压变化大得多，这就是场效应晶体管的放大原理(即电压控制电流变化原理)。为了表示场效应晶体管的放大能力,引入一个参数跨导g_m。g_m用下面的公式进行计算:

g_m反映了G、S极电压U_GS对D极电流I_D的控制能力,是表述场效应晶体管放大能力的一个重要参数(相当于晶体管的β),g_m的单位是西门子(S),也可以用A/V表示。

增强型MOS管具有的特点是:在G、S极之间未加电压(即U_GS=0V)时,D、S极之间没有沟道，I_D=0A;当G、S极之间加上合适的电压(大于开启电压U_T)时,D、S极之间有沟道形成，U_GS电压变化时，沟道宽窄会发生变化，I_D电流也会变化。

对于增强型NMOS管,G、S极之间应加正电压(即U_G＞U_S,U_GS=U_G-U_S为正压),D、S极之间才会形成沟道；对于增强型PMOS管,G、S极之间需加负电压(即U_G＜U_S,U_GS=U_G-U_S为负压),D、S极之间才有沟道形成。

图6-17 检测增强型NMOS管的电极

3.检测

(1)引脚极性检测

正常的增强型NMOS管的G极与D、S极之间均无法导通,它们之间的正、反向电阻均为∞。在G极无电压时,增强型NMOS管D、S极之间无沟道形成,故D、S极之间也无法导通,但由于D、S极之间存在一个反向寄生二极管,如图6-15所示,所以D、S极反向电阻较小。

在检测增强型NMOS管的电极时,万用表选择R×1k挡,测量NMOS管各脚之间的正、反向电阻,当出现一次阻值小的情况时(测得为寄生二极管正向电阻),红表笔接的引脚为D极,黑表笔接的引脚为S极,余下的引脚为G极,测量如图6-17所示。

(2)好坏检测

增强型NMOS管的好坏检测可按下面的步骤进行。

第1步 用万用表R×1k挡测量NMOS管各引脚之间的正、反向电阻,正常只会出现一次阻值小。若出现两次或两次以上阻值小的情况,则NMOS管损坏;若只出现一次阻值小,还不能确定NMOS管一定正常,需要进行第2步测量。

第2步 先用导线将NMOS管的G、S极短接,释放G极上的电荷(G极与其他两极间的绝缘电阻很大,感应或测量充得的电荷很难释放,故G极易积累较多的电荷而带有很高的电压),再将万用表拨至R×10k挡(该挡内接9V电源),红表笔接NMOS管的S极,黑表笔接D极,此时指针指示的阻值为∞或接近∞。然后用导线瞬间将D、G极短接,这样万用表内电池的正电压经黑表笔和导线加给G极,如果NMOS管正常,在G极有正电压时内部会形成沟道,指针指示的阻值马上由大变小,如图6-18a所示。再用导线将G、S极短路,释放G极上的电荷来消除G极电压,如果NMOS管正常,内部沟道会消失,指针指示的阻值马上由小变为∞,如图6-18b所示。

图6-18 检测增强型NMOS管的好坏

进行以上两步检测时,如果有一次测量不正常,则为NMOS管损坏或性能不良。