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MOS管輸入電阻很高,為什么一遇到靜電就不行了?

發表日期 :2021-07-13     瀏覽次數 :

對各位工程(cheng)師而言,MOS管算不上陌生,遇(yu)到(dao)電(dian)(dian)源(yuan)設(she)計(ji)、或者(zhe)驅動方面的電(dian)(dian)路,難(nan)免會(hui)用到(dao)它(ta)。MOS管有很多(duo)種類,也有很多(duo)作用。

其實MOS管一個ESD敏感器件,它本身的輸入電阻很高,而柵-源極間電容又非常小,所以極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電,又因在靜電較強的場合難于泄放電荷,容易引起靜電擊穿。

靜電擊穿有兩種方法:

  • 一是電壓型,即柵極的薄氧化層發生擊穿(chuan),形成針孔(kong),使柵極和源極間短路,或者(zhe)使柵極和漏極間短路;
  • 二(er)是功率型,即金(jin)屬化薄膜鋁條(tiao)被(bei)熔(rong)斷,造成柵極開路(lu)(lu)或者是源極開路(lu)(lu)。
現在的mos管(guan)沒有那么容易(yi)被擊穿,尤其是(shi)是(shi)大功率(lv)的vmos,主要是(shi)不少(shao)都(dou)有二極管(guan)保護。vmos柵(zha)極電容大,感應不出高壓。若是(shi)碰上3DO型的mos管(guan)冬天不帶防(fang)靜(jing)電環試(shi)(shi)試(shi)(shi),基本(ben)上摸一個掛(gua)一個。
與干燥的北方不(bu)(bu)同,南(nan)方潮濕不(bu)(bu)易產生(sheng)靜電。還有就是現(xian)在大多數CMOS器(qi)件(jian)內部(bu)已(yi)經(jing)增加了IO口保護(hu),但用手(shou)直接接觸CMOS器(qi)件(jian)管(guan)腳不(bu)(bu)是好習慣,至少使(shi)管(guan)腳可焊(han)性變(bian)差。

靜(jing)電(dian)(dian)(dian)放(fang)電(dian)(dian)(dian)形成(cheng)的(de)是短(duan)時(shi)大(da)電(dian)(dian)(dian)流,放(fang)電(dian)(dian)(dian)脈沖的(de)時(shi)間常(chang)數遠小于器(qi)件(jian)散熱的(de)時(shi)間常(chang)數。因此,當靜(jing)電(dian)(dian)(dian)放(fang)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流通過面積很(hen)小的(de)pn結(jie)或(huo)肖(xiao)特基(ji)結(jie)時(shi),將(jiang)產生很(hen)大(da)的(de)瞬間功率密度,形成(cheng)局(ju)部過熱,有可(ke)能使局(ju)部結(jie)溫(wen)達到甚(shen)至超過材料的(de)本征溫(wen)度(如硅(gui)的(de)熔點1415℃),使結(jie)區局(ju)部或(huo)多處熔化導致pn結(jie)短(duan)路(lu),器(qi)件(jian)徹底失(shi)(shi)效。這種失(shi)(shi)效的(de)發生與否,主要取決于器(qi)件(jian)內部區域的(de)功率密度,功率密度越小,說明(ming)器(qi)件(jian)越不(bu)易受到損傷。
反偏(pian)pn結(jie)比正偏(pian)pn結(jie)更容易發生(sheng)熱致失效,在反偏(pian)條(tiao)件(jian)下使結(jie)損壞所(suo)需要的能量只有正偏(pian)條(tiao)件(jian)下的十(shi)分之一(yi)左右。
這(zhe)是因為(wei)反偏時(shi),大部(bu)分(fen)功率消(xiao)耗在(zai)結區中心,而正偏時(shi),則多消(xiao)耗在(zai)結區外的(de)(de)體電阻上。對于雙極器件,通(tong)常(chang)發射結的(de)(de)面(mian)積(ji)比(bi)其(qi)它結的(de)(de)面(mian)積(ji)都小,而且結面(mian)也比(bi)其(qi)它結更(geng)靠近表面(mian),所以(yi)常(chang)常(chang)觀(guan)察到的(de)(de)是發射結的(de)(de)退化。
此外,擊穿電壓高于100V或(huo)漏電流小于1nA的(de)(de)pn結(如JFET的(de)(de)柵結),比類(lei)似尺(chi)寸的(de)(de)常規(gui)pn結對靜電放電更加敏感。
所(suo)有(you)(you)的(de)東西是(shi)(shi)(shi)相(xiang)對的(de),不是(shi)(shi)(shi)絕對的(de),MOS管只是(shi)(shi)(shi)相(xiang)對其它的(de)器(qi)件要敏感(gan)些(xie),ESD有(you)(you)一(yi)個很(hen)大的(de)特點就是(shi)(shi)(shi)隨(sui)機(ji)性,并不是(shi)(shi)(shi)沒有(you)(you)碰到MOS管都能夠把它擊穿。另外,就算是(shi)(shi)(shi)產生ESD,也不一(yi)定會(hui)把管子擊穿。


靜電的基本物理特征:

  • 有(you)吸引或(huo)排斥的力量;
  • 有電場(chang)存(cun)在,與大地有電位差(cha);
  • 會產(chan)生(sheng)放電(dian)電(dian)流(liu)。
這三種情形即ESD一般會(hui)對電子元(yuan)件造(zao)成以(yi)下(xia)三種情形的影響:
1、元件吸附灰塵,改變線路間的阻抗,影響元件的功能和(he)壽命(ming);
2、因電場或電流破壞元件絕緣層和導體,使(shi)元件不(bu)能工作(完全破壞);
3、因瞬間的電(dian)場軟(ruan)擊穿或電(dian)流產生過熱,使(shi)元件(jian)受(shou)傷(shang),雖然仍能工(gong)作(zuo),但(dan)是(shi)壽(shou)命受(shou)損。
所以ESD對MOS管的損壞可能是一,三兩種情(qing)(qing)況(kuang),并不一定每(mei)次都是第(di)二種情(qing)(qing)況(kuang)。上述這三種情(qing)(qing)況(kuang)中(zhong),如果元件完全破壞,必(bi)能在生產及品質測試中(zhong)被察覺(jue)而排(pai)除,影響較少。
如(ru)果元件輕微(wei)受損(sun),在(zai)正常(chang)測(ce)試中不易(yi)被(bei)發現,在(zai)這種情形下(xia),常(chang)會因經過多次加工,甚至已在(zai)使用時,才被(bei)發現破壞,不但檢查不易(yi),而(er)且損(sun)失(shi)(shi)亦難以預測(ce)。靜電對(dui)電子元件產(chan)生(sheng)的危害不亞于嚴重火災和爆炸事故的損(sun)失(shi)(shi)。


MOS管(guan)被擊穿的原因及解決方(fang)案:

第一、MOS管本身的輸(shu)入電阻很高,而柵源(yuan)極(ji)間電(dian)(dian)(dian)(dian)容又非常小,所以極(ji)易受外界電(dian)(dian)(dian)(dian)磁場(chang)或靜電(dian)(dian)(dian)(dian)的感應而帶電(dian)(dian)(dian)(dian),而少量(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)就可(ke)在(zai)極(ji)間電(dian)(dian)(dian)(dian)容上形成相(xiang)當高(gao)的電(dian)(dian)(dian)(dian)壓 (U=Q/C),將管(guan)子損壞。

雖然MOS輸(shu)入端(duan)有抗(kang)靜電的保(bao)護措(cuo)施,但(dan)仍需小(xiao)心(xin)對待,在(zai)存(cun)儲(chu)和運(yun)輸(shu)中(zhong)最好用金屬容器或(huo)者導電材(cai)料包裝,不要放在(zai)易產生靜電高壓的化工材(cai)料或(huo)化纖織(zhi)物中(zhong)。
組裝、調試時(shi),工(gong)(gong)具、儀(yi)表、工(gong)(gong)作(zuo)臺等均應良好(hao)接地。要防止操作(zuo)人(ren)員的(de)靜電干擾造(zao)成(cheng)的(de)損壞,如(ru)不宜穿尼龍(long)、化纖衣服,手或(huo)工(gong)(gong)具在接觸集成(cheng)塊前最好(hao)先接一下地。對器(qi)件引線矯直彎曲或(huo)人(ren)工(gong)(gong)焊接時(shi),使用的(de)設備必須良好(hao)接地。
第二(er)(er)、MOS電路輸入(ru)端的保護二(er)(er)極管,其(qi)通時(shi)電流容限一般為(wei)1mA,在可(ke)能(neng)出現過(guo)大瞬態(tai)輸入(ru)電流(超過(guo)10mA)時(shi),應串接輸入(ru)保(bao)護(hu)電阻。因此應用時(shi)可(ke)選擇一個內部有保(bao)護(hu)電阻的MOS管應。
還有,由于保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路吸收(shou)的(de)瞬間(jian)能量有限(xian),太大(da)的(de)瞬間(jian)信號(hao)和過高(gao)的(de)靜(jing)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓將(jiang)使保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路失去作用(yong)。所以焊接時電(dian)(dian)(dian)烙(luo)鐵必須可(ke)靠接地(di),以防漏電(dian)(dian)(dian)擊穿器件輸入(ru)端(duan),一(yi)般(ban)使用(yong)時,可(ke)斷電(dian)(dian)(dian)后(hou)利用(yong)電(dian)(dian)(dian)烙(luo)鐵的(de)余(yu)熱進行焊接,并先焊其接地(di)管腳(jiao)。

MOS管

MOS是電壓驅動元件,對(dui)電壓很敏感,懸(xuan)空的G很容易接受外(wai)部干擾使MOS導通,外(wai)部干擾信號對(dui)G-S結(jie)電容充電,這個微小的電荷可以儲(chu)存很長時間(jian)。

在試(shi)驗中G懸空(kong)很(hen)危險,很(hen)多(duo)就因為這樣爆管(guan),G接個下拉(la)電(dian)阻對地(di),旁路干擾(rao)信(xin)號就不會(hui)直通了,一般(ban)可以10~20K。這個電(dian)阻稱為柵極電(dian)阻。

  • 作用1:為(wei)場效應管提供偏置電壓(ya);
  • 作用2:起到瀉放電阻的作用(保護柵極(ji)G~源極(ji)S)。

第(di)一個(ge)作用(yong)好理(li)解(jie),這里解(jie)釋一下第(di)二個(ge)作用(yong)的(de)(de)原理(li)。保護(hu)柵極G~源極S,場(chang)效(xiao)應管(guan)的(de)(de)G-S極間的(de)(de)電阻(zu)值是很大的(de)(de),這樣只(zhi)要有少(shao)量的(de)(de)靜(jing)電就能使(shi)他(ta)的(de)(de)G-S極間的(de)(de)等效(xiao)電容兩(liang)端(duan)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)很高的(de)(de)電壓,如果不及時(shi)把這些少(shao)量的(de)(de)靜(jing)電瀉放掉,他(ta)兩(liang)端(duan)的(de)(de)高壓就有可能使(shi)場(chang)效(xiao)應管(guan)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)誤動作,甚至有可能擊穿(chuan)其G-S極。
這時柵極與源極之間加的電阻就能把上述的靜電瀉放掉,從而起到了保護場效應管的作用。


MOS管
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