如何检测绝缘栅场效应晶体管？

绝缘栅场效应晶体管(IGFET)也称金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),以下简称MOS管,绝缘栅场效应晶体管分为耗尽型和增强型,每种类型又分为P沟道和N沟道。

1.增强型MOS管的实物外形与图形符号

增强型MOS管分为N沟道MOS管和P沟道MOS管,增强型MOS管实物外形与图形符号如图4-13所示。

图4-13 增强型MOS管

2.增强型MOS管的结构与工作原理

增强型MOS管有N沟道和P沟道之分,分别称作增强型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4-14所示。

图4-14 增强型NMOS管

增强型NMOS管以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),在两极中间的二氧化硅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4-14c所示的符号表示。

(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4-15所示,图4-15a所示为结构图形式,图4-15b所示为电路图形式。

图4-15 加有电压的增强型NMOS管

如图4-15a所示,电源E₁通过R₁接场效应晶体管的D、S极,电源E₂通过开关S接场效应晶体管的G、S极。在开关S断开时,场效应晶体管的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0;如果将开关S闭合,场效应晶体管的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型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,就有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,即改变G、S极之间的电压U_GS,与G极相通的铝层产生的电场大小就会变化,SiO₂下面的电子数量就会变化,两个N区之间沟道的宽度就会变化,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,即跨导g_m,g_m用下式计算:

g_m反映了栅源电压U_GS对漏极电流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=0)时,D、S极之间没有沟道,I_D=0;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。

3.增强型MOS管的检测

(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、反向电阻均为无穷大。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(见图4-14c),所以D、S极反向电阻较小。(www.xing528.com)

在检测增强型NMOS管的电极时,万用表选择R×1kΩ挡,测量NMOS管各引脚之间的正、反向电阻,当出现一次阻值小时(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4-16所示。

图4-16 检测增强型NMOS管的引脚极性

(2)好坏检测 增强型NMOS管的好坏检测可按下面的步骤进行:

第一步:用万用表R×1kΩ挡检测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,可确定NMOS管一定损坏;若只出现一次阻值小,还不能确定NMOS管一定正常,需要进行第二步测量。

第二步: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×10kΩ挡(该挡内接9V电源),红表笔接NMOS管的S极,黑表笔接D极,此时表针指示的阻值为无穷大或接近无穷大,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极有正电压时会形成沟道,表针指示的阻值马上由大变小,如图4-17a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,表针指示的阻值马上由小变为无穷大,如图4-17b所示。

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。

图4-17 检测增强型NMOS管的好坏

4.耗尽型MOS管介绍

(1)实物外形与图形符号 耗尽型MOS管也有N沟道和P沟道之分。耗尽型MOS管的实物外形与图形符号如图4-18所示。

图4-18 耗尽型MOS管

(2)结构与原理 耗尽型P沟道和N沟道MOS管工作原理基本相同,下面以耗尽型NMOS管为例来说明耗尽型MOS管的结构与原理。耗尽型NMOS管的结构与等效图形符号如图4-19所示。

耗尽型NMOS管以P型硅片作为基片(又称衬底),在基片上再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),在两极中间的二氧化硅绝缘层上制作一层铝制导电层,从该导电层上引出电极称为G极。

与增强型MOS管不同的是,在耗尽型MOS管内的SiO₂中掺入大量的杂质,其中含有大量的正电荷,它将衬底中大量的电子吸引靠近SiO₂层,从而在两个N区之间出现导电沟道。

图4-19 耗尽型NMOS管

当场效应晶体管D、S极之间加上电源E₁时,由于D、S极所接的两个N区之间有导电沟道存在,所以有I_D电流流过沟道;如果再在G、S极之间加上电源E₂,E₂的正极除了接S极外,还与下面的P型衬底相连,E₂的负极则与G极的铝层相通,铝层负电荷电场穿过SiO₂层,排斥SiO₂层下方的电子,从而使导电沟道变窄,流过导电沟道的I_D电流减小。

如果改变E₂电压的大小,与G极相通的铝层产生的电场大小就会变化,SiO₂下面的电子数量就会变化,两个N区之间的沟道宽度就会变化,流过的I_D电流大小就会变化。例如E₂电压增大,G极负电压更低,沟道就会变窄,I_D电流就会减小。

耗尽型MOS管具有的特点是,在G、S极之间未加电压(即U_GS=0)时,D、S极之间就有沟道存在,I_D不为0;当G、S极之间加上负电压U_GS时,如果U_GS电压变化,沟道宽窄会发生变化,I_D电流就会变化。

在工作时,耗尽型NMOS管G、S极之间应加负电压,即U_G＜U_S,U_GS=U_G-U_S为负压;耗尽型PMOS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。