怎样测量n沟道mos管导通条件的导通内阻

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电源常用的mos管的导通电阻一般为多大?当mos管劣化时,导通电阻呈怎样的趋势增大?
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网博互动旗下网站:一种精确测量MOSFET晶圆导通电阻的方法--《电子与封装》2014年09期
一种精确测量MOSFET晶圆导通电阻的方法
【摘要】:导通电阻的准确测量是低导通电阻MOSFET晶圆测试中的一个难点。要实现毫欧级导通电阻的测试,必须用开尔文测试法;但实际的MOSFET晶圆表面只有两个电极(G、S),另外一个电极(D)在圆片的背面,通常只能将开尔文的短接点接在承载圆片的吸盘边缘,无法做到真正的开尔文连接,由于吸盘接触电阻无法补偿而且变化没有规律,导致导通电阻无法精确测量。介绍了一种借用临近管芯实现真正开尔文测试的方法,可以实现MOSFET晶圆毫欧级导通电阻准确稳定的测量。
【作者单位】:
【关键词】:
【分类号】:TN386【正文快照】:
1引言MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是金属-氧化层-半导体场效晶体管的简称,中文简称MOS管,是一种常见的半导体功率器件。随着半导体技术的不断进步,MOS管性能提升明显,应用日益广泛。电源控制和电源转换是MOS管大量使用的一个重要领域,在这类应
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MOS管的那些事儿呵呵,让我们来看看MOS管,分辨一下 他们怎么区别,怎么用吧。 我们在笔记本主板维修中见到的MOS管 几乎都是绝缘栅增强型,这里也就只说说它 的那些事儿吧。 而且,我们不谈原理,只谈应用。我们分“电路符号”和“实物”两部分来看吧电路符号:1 2 3 4 三个极怎么判定 区别他们是N沟道还是P沟道 寄生二极管的方向如何判定 它能干吗用呢5简单吗?那我们来做个挑错游戏吧实物:12 3三个极怎么分辨它是N沟道还是P沟道的呢 能量出它是好是坏吗电路符号电路符号篇电路符号开始之前,一个小测试:请回答: 哪个脚是S(源极)?哪个脚是D(漏极)? G(栅极)呢? 是P沟道还是N沟道MOS? 如果接入电路, D极和S极,哪一个该接输 入,哪个接输出? 你答对了吗?电路符号再来一个,试试看:哪个脚是S(源极)?哪个脚是D(漏极)?G(栅极)呢? 是P沟道还是N沟道MOS? 依据是什么? 如果接入电路, D极和S极,哪一个该接输 入,哪个接输出? 这次怎么样?电路符号 1 三个极怎么判定 ?MOS管符号上的三个脚的辨认要抓住关键地方 。S极G极,不用说比较好认。 S极, 不论是P沟道还是N沟道, 两根线相交的就是;G极D极D极, 不论是P沟道还是N沟道, 是单独引线的那边。电路符号 2 他们是N沟道还是P沟道?三个脚的极性判断完后,接下就该判断是P沟道还是N沟道了:S极N沟道MOSFETG极箭头指向G极的是N沟道D极电路符号S极P沟道MOSFETG极 箭头背向G极的是P沟道 D极当然也可以先判断沟道类型,再判断三个脚极性。电路符号小测试: 先判断是什么沟道,再判断三个脚极性。G极 1 D极 2 3 S极 S极12D极3G极P沟道MOSFETN沟道MOSFET电路符号 3 寄生二极管的方向如何判定?S极S极接下来,是寄生二极管的方向判断: 寄生二极管G极N沟道G极P沟道D极 它的判断规则就是:D极 N沟道,由S极指向D极; P沟道,由D极指向S极。电路符号S极 上面方法不太好记, 一个简单的识别方法是: (想像DS边的三节断续线是连通的) D极 S极 不论N沟道还是P沟道MOS管, 中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭 头方向总是一致的:G极N沟道G极P沟道要么都由S指向D, 要么都由D指向S。D极电路符号 4 它能干吗用呢?此处电压 被拉低在我们天天面对的笔记本主板上, MOS管有两大作用:开关作用 (1): 1. 开关作用; PQ27控制脚为低电平0V2. 隔离作用。5V导通截止电路符号此处电压开关作用(1):PQ27控制脚为高电平GND不被拉低3V导通0V截止电路符号以上MOS开关实现的是信号切换(高低电平切换)。 再来看个MOS开关实现电压通断的例子吧。截止0V0V由+1.5V_SUS产生+1.5V电路(1)电路符号MOS开关实现电压通断的例子:导通+1.5V+15V由+1.5V_SUS产生+1.5V电路(2)电路符号看过前面的例子,你能总结出“MOS管用做开关时在电路 中的连接方法”吗?其实关键就是: 确定哪一个极连接输入端;哪个极连接输出端。 控制极电平为“ ?V ” 时MOS管导通(饱和导通)? 控制极电平为“ ?V ” 时MOS管截止?回顾前面的例子,你找到它们的规律了吗? 小提示: MOS管中的寄生二极管方向是关键。电路符号小结:“MOS管用作开关时在电路中的连接方法”NMOS管: PMOS管:D极接输入; S极接输出。输出端S极接输入; D极接输出。输入端S极 G极S极 G极N沟道D极P沟道D极输入端输出端导通时导通时电路符号反证:NMOS管正确接法:D极接输入;S极接输出。假如:PMOS管正确接法:S极接输入;D极接输出。假如反接:S接输入,D接输出呢?输入S极 G极D接输入,S接输出。输出S极G极N沟道D极P沟道D极输出输入 同样失去了开关作用。由于寄生二极管直接导通,因此 S极电压可以无条件到D极,MOS 管就失去了开关的作用。电路符号小结:“MOS管的开关条件” 前面解决了MOS管的接法问题,接下来谈谈MOS管的 开关条件: 控制极电平为“ ?V ” 时MOS管导通(饱和导通)? 控制极电平为“ ?V ” 时MOS管截止?这个问题涉及到MOS管原理,我们这里不谈,只记结果:不论N沟道还是P沟道MOS管, G极电压都是与S极做比较。 N沟道: UG&US时导通。 (简单认为)UG=US时截止。 P沟道: UG&US时导通。 (简单认为)UG=US时截止。但UG比US大(或小)多少伏时MOS管才会饱和导通呢?电路符号饱和导通问题:UG比US大(或小)多少伏时MOS管才会饱和导通呢? 这要看具体的MOS管,不同MOS管需要的压差不同。 在笔记本主板上用到的NMOS可简单分作两大类: 信号切换用MOS管: UG比US大3V---5V即可,实际上只 要导通即可,不必须饱和导通。 比如常见的:2N2E,2N7002K,2N7002D,FDV301N。 电压通断用MOS管: UG比US应大于10V以上,而且开通 时必须工作在饱和导通状态。 常见的有:AOL1448,AOL1428A,AON7406,AON7702, MDV1660,AON6428L,AON6718L,AO4496,AO4712,AO6402A,AO3404,SI3456DDV, MDS1660URH,MDS2662URH,RJK0392DPA,RJK03B9DP。PMOS管则和NMOS条件刚好相反。电路符号示例1: NMOS管: 2N7002E 作用: 信号切换(开关) 常用接法: S极接地,US=0V。 截止条件: UG=US=0V。D极 G极0V 5V3V导通S极导通条件: UG比US大3V---5V即可, UG=3V。电路符号示例2: NMOS管: AON7406作用: 电压通断(开关)常用接法: D极接输入,UD=5V。 S极接输出。 截止条件: UG=US=0V。 导通条件: UG比US大10V以上, UG=US+10V=15V。 (导通时,US=5V)D极5V导通+15VG极0V 5V S极电路符号示例3: PMOS管: AOD425+19V S极 +6V +19V作用: 电压通断(开关)常用接法: S极接输入,US=19V。 D极接输出。截止条件: UG=US=19V。G极导通D极+19V 0V导通条件: UG比US小10V以上, UG=US-13V=6V。电路符号隔离作用: 如果我们想实现线路上电流的单向流通, 比如只让电流由A-?B,阻止由B-?A 请问可以怎么做?A B方法1:加入一个二级管A B电路符号方法2:加入MOS管AB此处MOS管实现的功能就是:隔离作用。 所以,所谓的MOS管的隔离作用,其实质也就是实现电路 的单向导通,它就相当于一个二级管。 但在电路中我们常用隔离MOS,是因为: 使用二级管,导通时会有压降,会损失一些电压。而使用 MOS管做隔离,在正向导通时,在控制极加合适的电压,可以 让MOS管饱和导通,这样通过电流时几乎不产生压降。电路符号示例1:19VPMOS管: AOL1413作用: 隔离Adapter19V接地6V 19V 5V导通截止 导通19V隔离19VBAT大家有兴趣可分析一下:拔掉适配器后只用电池供电时AOL1413的工作情况,试试吧!电路符号笔记本主板上的隔离,其实质是将适配器电压(+19V) 和电池电压(+12V左右)分隔开来。不让它们直接相通。 但又能在拔除任意一种电源时,保证电脑都有持续的供电,实 现电源无缝切换。 笔记本电脑中用到的隔离MOS管只有两个。 下面我们来分步讨论一下它的原理,为了方便,隔离MOS 管都用二级管代替表示。 19VAdapter19V VIN隔离1. 只用适配器时电路符号隔离Q1BAT12V VIN12V Q2 2. 只用电池时问题:为什么在不用适配器时,还要用Q1隔离12V呢?我找到的一种解释是: 人们在使用笔记本电脑时,经常会同时插上适配器和电池。如果遇到 电网停电,笔记本会自动切换到电池12V供电。这个时候适配器虽然不再 供电,但仍相连在笔记本上。 如果没有Q1隔离,12V电压会直接进入适配器内部的输出电路,有可能 烧毁适配器。 这一解释自己没有做过验证,大家可以讨论一下对与错。电路符号Q119VAdapterQ2BAT19V12V隔离3. 适配器+电池问题:如果不用Q2隔离,同时插上适配器和电池会怎样?现象是: 大电流。 当然这只有在维修稳压电源上才可以看到:电流直接达到 稳压电源的最大值6A以上,短路灯狂闪。 电池充电不就是用较高的电压加到电池上来进行的吗? 那么,你觉得,为什么会出现这样的现象呢?电路符号讨论:“不用Q2隔离,或者是Q2被击穿短路时大电流的原因”电池电压一般是在12V以下,我们就将其看作12V。19V电 源呢,我们也可以当作一个大电池,那么一个19V的电池和一 个12V的电池如下相连,导线中电流会是多少呢?7V 0V 19V?A7V12V19V12V经过两次等效,就相当于将一根导线两端接到7V电池的两端。电路符号导线的电阻极小,如果我们认为 它是0.1欧姆。那么在导线中流过的 电流会是多少:7V?A7 ? 70?? ? 电流= 0 .1稳压电源的最大电流一般是6A左右,所以会出现大电流报警。 而正常的电池充电电压是经过芯片精密控制的,一般只比 电池实际电压高出一点点,以保证电流不会过大造成电池过分 发热。 当Q2隔离管击穿短路后,长时间的超负荷工作,极有可能 损坏适配器。电路符号MOS管作用总结: (结合寄生二极管) 如果MOS管用作开关时,(不论N沟道还是P沟道), 一定是寄生二极管的负极接输入边,正极接输出端或接地。 否则就无法实现开关功能了。 所以,N沟道一定是D极接输入,S极接输出或地。 P沟道则相反,一定是S极接输入,D极接输出。 如果MOS管用作隔离时,(不论N沟道还是P沟道), 寄生二极管的方向一定是和主板要实现的单向导通方向 一致。 笔记本主板上用PMOS做隔离管的最常见,但也有极少 的主板用NMOS来实现。电路符号 5 做个挑错游戏吧有没有发现过笔记本电路图上的MOS管也有画错的? 通过前面的学习, 我们来做个挑错 游戏吧, 看看你能发现多 少错误?图1电路符号两张截图里, 你发现了几处错误?答案在文档最后面。图2实 物实 物 篇实 物 看看这些MOS管:呵呵,都是很常见的吧? 能告诉大家, 哪个脚是S(源极)吗? 哪个脚是D(漏极)?G(栅极)呢? 是P沟道还是N沟道MOS? 呵呵,这个有点难哦。给你万用表,怎么测量 MOS管是好是坏呢?实 物 1 如何分辨三个极?共有八个脚,显然会有几个脚内部是相连的。 第1步: 请确定MOS管PIN1(第一脚) 方法:芯片上会用一个小圆点标示出PIN1, 它一般会在芯片的左下角。 第2步: 请确定MOS管其他脚首先,来看看常见的SO-8封装MOS管吧。方法:从PIN1开始,逆时针方向依次为2,3, …..6,7,8脚。实 物第3步: 请确定三个极。 D极单独位于一边,而G极是第4PIN。 剩下的3个脚则是S极。 它们的位置是相对固定的,记住这一点很有 用。 看看我们常见的NMOS管4816:请注意:不论NMOS管还是PMOS管,上述PIN脚的确定方法都是一样的。假如MOS管表面磨损,或是无法辨认PIN1的标记圆点,你可以用什么 方法确认PIN1脚,以及G极,D极和S极? 拿出万用表,试试吧!实 物再来看看相似的DFN封装MOS管:外形上来看,DNF封装的MOS管仍旧有8个脚,但已经变成贴片形式, 节约了高度,散热性能更好些。 但其PIN脚极性还是一样排列。还有Ultra SO-8封装的MOS管:Ultra SO-8封装的MOS管相对DFN封装厚度 上有点增加,PIN1,2,3直接相连成为S极。实 物接下来,看看6个脚的TSOP-6封装MOS管:SI3456PIN1,2,5,6为D极;PIN3为G极;PIN4为S极。同样是6个脚,的SOT-363封装MOS管则为双MOS管:实 物最后,3PIN脚的MOS管: (1)SOT-233 G DS 12图纸习惯 PIN1为G极;PIN2为S极;PIN3为D极。 但请大家特别注意:主板上标示的PIN1与PIN2脚与此刚好颠倒了。 主板图纸上也是如此。 而且,似乎作为一种错误的习惯被保持了下来。另外一种3PIN脚的MOS管: (2)TO-2523常见型号有: AOD4251 2 21实 物2 它是N沟道还是P沟道的呢?先从简单的开始,拿最常见的3PIN脚MOS管(SOT-23)讲起。D0.620V 1.220G接下来, 将万用表调 到“二极体 档”。S由上一小节内容,我们可以立即找 到MOS管的G,S,D三极。红表笔(+极)接D极,黑表笔(- 极)接S极: 如果,二极体值低于0.700V以下。黑表笔(- 极)接D极,红表笔(+极)接S极: 二极体值高于1.200V以上。交换表笔:则可以判断,此MOS管 ==?为PMOS管。实 物如果两次测量的结果相反。则 ==?为NMOS管。D0.620 1.490V万用表调至 “二极体档”。GS过程如下:红表笔(+极)接D极,黑表笔(- 极)接S极: 如果,二极体值高于1.200V以上。黑表笔(- 极)接D极,红表笔(+极)接S极: 二极体值低于0.700V以下。 则此MOS管 ==?为NMOS管。交换表笔:实 物判断沟道的方法已经介绍了,接下来简单谈下依据。 MOS管(绝缘栅增强型)的G极与S极、D极之间绝缘;而S极与D极 在没有导通之前内阻很大,也可以简单认为是断开的。 因此,G,D,S之间用二极体档测量时,应该是两两都不相通。 以上是在没有考虑MOS管内部的寄生二极管的前提下得出的结论。 而实际上,在测量判断沟道类型时,这个存在于DS极之间的体内二 极管(寄生二极管)才是关键!0.620 1.770V截止 导通NMOS 交换表笔: 换句话说,我们量的就是这个寄生二极管。实 物3PIN脚的说过了,再来看看6PIN脚的MOS管( TSOP-6封装): 由上一小节我们知道,只要知道MOS的第一 脚PIN1,那我们就可以通过三极与PIN脚间的对 应关系(如右图)立即判断出G,D,S极。 但假如,MOS管无法辨认PIN1怎么办? (比如表面污损) 不管怎样,三极首先得辨认,之后才是判 断N沟道或P沟道的问题。 接下来,我们就不妨先说说:在PIN1无法辨认的情况下,如何靠万 用表判断三极。要么D5 2要么D2判断原则: 6PIN中相通的4PIN是D极。 之后, 对照右上图确定出G极,S极。D6 1S4 3G3 4D1 6相通DD G相通5SDD实 物G极,D极和S极知道后,N沟道P沟道的判断方法和前面还是一样:DD S1.850V==?为NMOS管。1DDG交换表笔:D D S0.530V1DDG实 物测量的二极体值相反时,为PMOS管:DD S0.450V==?为PMOS管。1DDG(4)P-MOS交换表笔:D D S1.560V(3) (1,2,5,6)1DDG实 物DFN封装和Ultra SO-8封装的MOS管因为外形独特,一眼即可辨认 D极,其他两极也就好依从判断,用不着万用表。 至于沟道类型的判断,方法和前面一样,就不再罗嗦了。 让我们直接进入SO-8封装MOS管环节吧。 还是先来看看: MOS管无法用眼睛辨认PIN1时,怎样用万用表找G、D、S极? 判断原则: 单边4PIN全通的是D极。 之后, 对照下图确定出G极,S极。0.000V1PIN如果大家足够细心,根据MOS管有一边存 在小小的倒角,仍然能确定PIN1。实 物SO-8封装MOS管沟道类型的判断,方法和前面一样,不再详述。 至于最后一种MOS管: SOT-363封装双MOS管 因为它的对称性,只要正面朝向自己,无论怎样摆放,左下角都可以认 为是PIN1。1PIN1PIN所以呀,在主板上更换这种MOS管时,完全不用担心装反的问题。 即使装反了,一样可以正常使用。 三极脚位好判断,沟道类型判断还是和前面一样。实 物测量的注意事项:以上都是在MOS管没有被接入任何电路的情形下,进行的测量。如果MOS管在板时进行测量,测量的值会受到所在电路的影响,有 可能会误导判读。 建议在板测量出异常时,最好取下进行一次复判。 测量前,最好用表笔金属针头部分短接MOS管G极与S极,以释放 MOS管G极可能残留的静电电荷。 因为G极如果存在静电电压可能 会造成D与S极处于导通状态,而引起误判。我们这里测量用的是数字万用表。(当调至“二极管档”时,红表 笔是正极(+),黑表笔是负极(-)) 如果使用指针式万用表,注意红黑表笔上电压极性刚好相反,请注 意测量的结果应该颠倒才对。实 物 3 能测量出MOS管是好是坏吗?了解了前面那些内容,相信这个问题对大家来说已经不是难事。说说看,该怎么做呢?不妨动手试一试! 下面呢,做个简单小结: 将万用表调至“二极体档”, 用表笔分别接触三个极,测量两两之间的值,并交换位置。 这样会有六种组合,测到6个值。 这其中只有1个值会低于0.700V以下(0.200V以上)。 ==?为良品 否则 。 ==?为不良品实 物注意事项:除了49页提到过的注意事项之外,还请注意: 测量中,当红表笔接G极,黑表笔接S极之后,有可能在接下来测量 DS这组值时,发现DS间竟短路了,二极体值接近0.001V。 本来在前 面刚测量过是好的。有些MOS管短路很快就消失了,而有些则需要较长 时间才恢复。 这同样是因为MOS管GS极间存在一定的极间电容,测量中引入的电 压在上面残留。如果电压极性刚好符合MOS管导通条件,此时测量DS间 当然就会表现为短路现象。只有当GS极间电容上的电荷漏光或消散完后, DS间才会恢复截止状态。 解决的办法是: 用表笔金属针头部分短接MOS管G极与S极,释放MOS管GS极间电容 上残留的电荷。 如果再次测量DS间仍然短路,才能判定MOS管短路了。答案挑错游戏-答案: (第33页)画法错误答案挑错游戏-答案: (第33页)S极 G极D极中间衬底箭头 与S极短接 是正确画法S极G极D极答案挑错游戏-答案: (第33页)S极 G极 D极 修改后画法 S极G极D极答案挑错游戏-答案: (第34页)增强型MOS管中间 为断续线。画法错误中间衬底箭头(不论方 向朝里朝外)与S极相 连是正确画法。ENDQ & A欢迎您转载分享:
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这几天在产品测试中发现一个现象,P沟道和N沟道的MOS管在导通情况下,导通电阻竟然差别很大。
以我们产品中常用的SI2301(N沟道)、SI2302(P沟道)为例,2302在栅极3.3V电压导通情况下,D与S之间导通电阻接近0,而2301在栅极0V电压导通情况下,D与S之间导通电阻则在几十K到几百K之间不等,这个原因导致我们的一个产品没办法通过认证测试
仔细想来,似乎是MOS管在高压导通情况下,导通的比较彻底,而低压时则只部分导通,目前只想到这个解释,是否准确,还有待进一步验证,得到准确结果再更新吧。。。
产品中的使用如图,MOS管的导通电压由Ugs控制,由于本应用中s端都为接地,则g端的电压决定MOS管的导通情况,g端与s端压差越大,导通越彻底(在安全范围内);在2302中,导通时g端电压为3.3V,g与s端间压差大于3V,导通应该比较彻底,而在2301中,导通时g端电压接近0V,g与s端间压差很小,可想而知,只可能部分导通,进而s与d端间的直流电阻还是比较大的。下图为N沟道、P沟道MOS管标准工作电压设置示意图。
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