Mosfet 絕緣柵型場效應管---- 陳友祥 ( 中無通訊 第100期 )
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:31 編輯科技日益進步，Mosfet 過去耐壓低，容易損壞，經業界努力，製造工藝不斷改善，D-Mos、U-Mos、V-Mos、T-Mos、DT-Mos、超結 ( Super-junction ) Mosfet ...今天已能工作於惡劣環境，符合車規 AEC-Q101 等等嚴格規定，廣泛用於 EV 電動車、工業馬達控制、電源轉換，新一代材料如碳化矽 SiC 等等，半導體更上一層樓。
結構及基本原理：
圖一：Enhancement mode 增強型 N 型 Mosfet 切面圖，在 P 型矽晶體上擴散出兩個 N 區，蓋上絕緣層，加上柵極 G，並引出源極 S 及漏極 D 接腳，接上電源，柵極加上足夠正電場吸引相當數量負電子，並在漏極 D 接正電，負電子向 D 移動，出現電子流，D - S 導通，電子流動區域稱為通道 ( Channel )，是主要發熱區域，當柵極電場低於某個數值，未能吸引足夠數量負電子，則無法推動電子流，D - S 不導通，有如關斷開關。( 電子流方向與傳統電流方向相反，圖中仍採用傳統電流方向，從正流向負。 ) P 型 Mosfet 則相反，柵極需要負電場，D - S 才導通，習慣以空穴移動解述。
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:35 編輯
圖二：平面型結構，早期改良工藝，D 極造底座，封裝時直接黏貼到散熱片。
Mosfet 特性規格：
絕對最大額定值 ( Absolute Maximum Ratings )：
VDSS 漏極 - 源極允許電壓 ( Drain-Source Voltage )
測試時 柵極 - 源極 短路見圖三
VGSS 柵極 - 源極允許電壓( Gate-Source Voltage )
ID 漏極允許直流電流 ( Drain Current ) DC
IDP 漏極允許脈沖電流 ( Drain Current ) Pulsed
PD 最大允許功耗 ( Power Dissipation )
Tch 最大允許通道溫度 ( Channel Temperature )
Tstg 最大允許儲存溫度 ( Storage Temperature )
靜態特性（Static Characteristics )：
IGSS 柵極漏電流 ( Gate Leakage Current )
測試條件 VGS = ±20 V, VDS = 0 V 見圖四
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:38 編輯
IDSS 漏極截止電流 ( Drain Cut-off Current )
測試條件 VDS = 標稱值, VGS = 0 V 見圖五
VGS(th) 柵極臨界電壓 ( Gate Threshold Voltage )
測試條件 VDS = VGS, ID = 1mA
V(BR)DSS 柵極與源極短路的漏源擊穿電壓 ( Drain-source breakdown voltage )
測試條件 ID = 標稱值, VGS = 0 V
V(BR)DSX 柵極和源極反向偏置的漏源擊穿電壓 ( Drain-source breakdown voltage )
測試條件 ID = 標稱值, VGS = -20 V
RDS(ON) 漏極 - 源極導通電阻 ( Drain-Source ON-Resistance )
測試條件：脈沖測試 (Pulse Measurement)
尚有動態特性 ( Dynamic Characteristics )，列出極間電容，開關上升、下降時間等等..
圖六：不同溫度下 VGS - ID 曲線， D - S 固定電壓時，VGS 2 V 以下時無漏極電流 ID，高於 VGS(th) 漏極電流開始上升，直至飽和，溫度高於150℃時，VGS(th) 會左移低於 2V。
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:42 編輯
圖七
Mosfet 接腳見圖七，大功率 D 腳連至外殼，方便散熱，D - S 通常附帶保護二極管，應呈單向導通，很容易找到 D 及 S 腳，剩下的 G 腳對 D 及 S 腳不導通，容易辨認，使用萬用電錶 R x 1K 電阻檔檢測，N 型 D 腳接正電，萬用錶黑筆是錶內電池正極，因此黑筆接 D 腳，紅筆接 S 腳，指針顯示電阻無限大，用手指同時按住 D 及 G，指針會有反應，呈現出低電阻值，再用手指同時按住 G 及 S，指針回復電阻無限大，顯示該管能控制開與關，工作正常，高壓管用此法無反應，準確方法接上電路試驗，見圖八：試驗時 R1 連通 B+，柵極帶正超過 2V，D - S 導通 LED 發亮，R1 離開 B+，柵極無正壓，D - S 不導通，LED 熄滅，見圖九、十，亦可取消 R2 作試驗，不同的是 R1 碰過 B+，LED 一直亮著，直至 R1 碰過 B- 放電，LED 方才熄滅，能開能關顯示正常。
圖九
圖十
使用注意事項：
柵極絕緣相當電容電極，加上電位不會自動消失，柵極相當電容充了電，D - S 一直導通，之後須將 G - S 短路放電，D - S 方能關斷，應用邏輯電路驅動，輸入 1 與 0 最佳，輸入電壓峰值勿超柵極耐壓 ±20 V，部份型號內藏齊納二極管 ( Zener Diode ) 作保護，見圖十一，推動電壓盡可能令輸出飽和，減小損耗及發熱。
Mosfet 包裝上有警告，靜電會損壞元件，取出前先除靜電，戴上接地手環，只是筆者至今
尚未有 Mosfet 包括 Cmos 被我電死，可能未夠 Volt (一笑)。
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:52 編輯
上面是圖十二：2A 鋰電池保護板，線路見圖十三，鋰電池一般 3.6V 至 4.1V，不能過充、過放，否則影響壽命及效能，DW01 5 腳 Vcc 檢測電池電壓，3 腳 OC ( Over Charge ) 控制過充，1 腳 OD ( Over Discharge )控制過放，2 腳 CS 檢測電流，電流過大時啟動限流保護，IC2 8205A6 由兩個 N 型 Mosfet 反向串聯，接成 S - D D - S，分別控制電流流入與流出。
充電：B+ B- 連接充電源，電池電壓低於 4.1V，IC1 第 3 腳 OC 輸出令右邊 Mosfet 導通，充電電流從 B+ 經電池，通過左邊 Mosfet 1 腳之保護二極管，經右邊 Mosfet 到 B- 成迴路，電池充至 4.1V，IC1 第 3 腳 OC 關斷，Mosfet 關斷停止充電。
放電：B+ B- 連接負載，IC1 第 1 腳 OD 輸出令左邊 Mosfet 導通，電池放電經 B+ 通過負載，回到 B- 經右邊 Mosfet 3 腳之保護二極管，通過左邊 Mosfet 到 1 腳，返回電池負極成迴路，電池放電至接近 3V，IC1 第 1 腳 OD 關斷，Mosfet 關斷停止放電，Mosfet 內阻低，2A 電流發熱有限，借用底板已足夠散熱。
表一列出四款 Mosfet 供比較：
圖十一：T2N7002BK 平面封裝 SOT23，60V 1.05Ω
圖十四：PSMNR0-40PS 封裝 TO22040V7.6mΩ
圖 七 ：IRFB4110GPBF 封裝 TO220100V3.7mΩ
圖十五：IXTL2N450 封裝 ISOPLUS i5-Pak 高耐壓4500V20Ω
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