《電子技術(shù)應(yīng)用》
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CMOS管和雙極晶體管的區(qū)別(JFET類型)

2017-10-13
關(guān)鍵詞: MOS 半導(dǎo)體

場效應(yīng)管和雙極晶體管不同,僅以電子或空穴中的一種載子動作的晶體管。按照結(jié)構(gòu)、原理可以分為:

.接合型場效應(yīng)管

MOS型場效應(yīng)管

★接合型場效應(yīng)管(結(jié)型FET)

原 理

N通道接合型場效應(yīng)管如圖所示,以P型半導(dǎo)體的柵極從兩側(cè)夾住N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。將PN接合面上外加反向電壓時所產(chǎn)生的空乏區(qū)域用于電流控制。

N型結(jié)晶區(qū)域的兩端加上直流電壓時,電子從源極流向漏極。電子所通過的通道寬度由從兩側(cè)面擴散的P型區(qū)域以及加在該區(qū)域上的負電壓所決定。

加強負的柵極電壓時,PN接合部分的空乏區(qū)域擴展到通道中,而縮小通道寬度。因此,以柵極電極的電壓可以控制源極-漏極之間的電流。

用 途

即使柵極電壓為零,也有電流流通,因此用于恒定電流源或因低噪音而用于音頻放大器等。

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結(jié)型FET的圖形記號

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結(jié)型FET的動作原理(N通道)

★MOS型場效應(yīng)管

原 理

即使是夾住氧化膜(O)的金屬(M)與半導(dǎo)體(S)的結(jié)構(gòu)(MOS結(jié)構(gòu)),如果在(M)與半導(dǎo)體(S)之間外加電壓的話,也可以產(chǎn)生空乏層。再加上較高的電壓時,氧華膜下能積蓄電子或空穴,形成反轉(zhuǎn)層。將其作為開關(guān)利用的即為MOSFET。

在動作原理圖上,如果柵極電壓為零,則PN接合面將斷開電流,使得電流在源極、漏極之間不流通。如果在柵極舊外加正電壓的話,則P型半導(dǎo)體的空穴將從柵極下的氧化膜-P型半導(dǎo)體的表面被驅(qū)逐,而形成空乏層。而且,如果再提高柵極電壓的話,電子將被吸引表表面,而形成較薄的N型反轉(zhuǎn)層,由此源杖(N型)和漏極(N型)之間連接,使得電流流通。

用 途

因其結(jié)構(gòu)簡單、速度快,且柵極驅(qū)動簡單、具有耐破壞力強等特征,而且使用微細加工技術(shù)的話,即可直接提高性能,因此被廣泛使用于由LSI的基礎(chǔ)器件等高頻器件到功率器件(電力控制器件)等的領(lǐng)域中。

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MOS FET的圖形記號

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MOS FET的動作原理(N通道)

常用場效用管

1、MOS場效應(yīng)管

即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管,英文縮寫為MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect-Transistor),屬于絕緣柵型。其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層,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接在一起。根據(jù)導(dǎo)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(tài),加上正確的VGS后,多數(shù)載流子被吸引到柵極,從而“增強”了該區(qū)域的載流子,形成導(dǎo)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(shù)載流子流出溝道,因而“耗盡”了載流子,使管子轉(zhuǎn)向截止。

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(qū)N+和漏擴散區(qū)N+,再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內(nèi)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(qū)之間就感應(yīng)出帶負電的少數(shù)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(dǎo)通,形成漏極電流ID。

圖片6.png

國產(chǎn)N溝道MOSFET的典型產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(nèi),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(yīng)短接。在測量時應(yīng)格外小心,并采取相應(yīng)的防靜電感措施。

MOS場效應(yīng)管的檢測方法

(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。最好在手腕上接一條導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(chǎn)的3SK系列產(chǎn)品,S極與管殼接通,據(jù)此很容易確定S極。

(3).檢查放大能力(跨導(dǎo))
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(yīng)有較大的偏轉(zhuǎn)。雙柵MOS場效應(yīng)管有兩個柵極G1、G2。為區(qū)分之,可用手分別觸摸
G1、G2極,其中表針向左側(cè)偏轉(zhuǎn)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。

MOS場效應(yīng)晶體管使用注意事項。

MOS場效應(yīng)晶體管在使用時應(yīng)注意分類,不能隨意互換。MOS場效應(yīng)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(yīng)注意以下規(guī)則:

MOS器件出廠時通常裝在黑色的導(dǎo)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
取出的MOS器件不能在塑料板上滑動,應(yīng)用金屬盤來盛放待用器件。
焊接用的電烙鐵必須良好接地。
在焊接前應(yīng)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。
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。
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。
MOS場效應(yīng)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(yīng)注意查證原有的保護二極管是否損壞。

2、VMOS場效應(yīng)管

VMOS場效應(yīng)管(VMOSFET)簡稱VMOS管或功率場效應(yīng)管,其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管。它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、功率開關(guān)器
件。它不僅繼承了MOS場效應(yīng)管輸入阻抗高(≥108W)、驅(qū)動電流?。ㄗ笥?.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(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點集于一身,因此在電壓
放大器(電壓放大倍數(shù)可達數(shù)千倍)、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。

眾所周知,傳統(tǒng)的MOS場效應(yīng)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,從左下圖上可以
看出其兩大結(jié)構(gòu)特點:第一,金屬柵極采用V型槽結(jié)構(gòu);第二,具有垂直導(dǎo)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(qū)(源極S)出發(fā),經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū),最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(yīng)管。

國內(nèi)生產(chǎn)VMOS場效應(yīng)管的主要廠家有877廠、天津半導(dǎo)體器件四廠、杭州電子管廠等,典型產(chǎn)品有VN401、VN672、VMPT2等。

VMOS場效應(yīng)管的檢測方法

(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(fā)現(xiàn)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(jié),因此根據(jù)PN結(jié)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(tài)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(yīng)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(dǎo) 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(yīng)有明顯偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)愈大,管子的跨導(dǎo)愈高。

注意事項:

VMOS管亦分N溝道管與P溝道管,但絕大多數(shù)產(chǎn)品屬于N溝道管。對于P溝道管,測量時應(yīng)交換表筆的位置。
有少數(shù)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。
目前市場上還有一種VMOS管功率模塊,專供交流電機調(diào)速器、逆變器使用。例如美國IR公司生產(chǎn)的IRFT001型模塊,內(nèi)部有N溝道、P溝道管各三只,構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在市售VNF系列(N溝道)產(chǎn)品,是美國Supertex公司生產(chǎn)的超高頻功率場效應(yīng)管,其最高工作頻率fp=120MHz,IDSM=1A,PDM=30W,共源小信號低頻跨導(dǎo)gm=2000μS。適用于高速開關(guān)電路和廣播、通信設(shè)備中。
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,最大功率才能達到30W

8、場效應(yīng)管與晶體管的比較

場效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場效應(yīng)管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應(yīng)選用晶體管。
       場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件。
       有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比晶體管好。
       場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

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