场效应晶体管栅-源（直流）电压检测

场效应晶体管栅-源（直流）电压检测：关键项目与完整流程

一、检测原理

场效应晶体管通过栅极电压（V_GS）控制源极和漏极之间的导电沟道。对于增强型FET，当V_GS超过阈值电压（V_th）时，沟道形成，器件导通；对于耗尽型FET，V_GS则用于调节沟道的导通程度。检测V_GS的目的是：

1. 验证静态工作点是否合理；
2. 判断器件是否损坏（如栅极击穿）；
3. 优化电路设计（如功耗与开关速度的平衡）。

二、核心检测项目

1. 静态工作点检测

• 目的：确认FET在无信号输入时的偏置电压是否正常。
• 方法：
  • 断开输入信号，使用数字万用表（DC电压档）直接测量栅极（G）与源极（S）之间的电压。
  • 对比理论设计值（如N沟道增强型MOSFET的V_GS通常需≥V_th）。
• 异常判断：
  • 若V_GS远低于V_th（增强型未导通），检查偏置电路电阻是否失效；
  • 若V_GS异常高（如接近电源电压），可能栅极开路或驱动电路故障。

2. 阈值电压（V_th）检测

• 目的：确定器件开启的小V_GS值。
• 方法：
  • 搭建测试电路（图1）：漏极（D）接可调电源（V_DD），源极（S）接地，栅极（G）通过可调电压源供电。
  • 缓慢增加V_GS，同时监测漏极电流（I_D）。当I_D达到1μA~10μA（依据器件规格）时，记录此时的V_GS即为V_th。
• 工具：参数分析仪（如Keysight B1500A）或曲线追踪仪可自动绘制I_D-V_GS曲线并标定V_th。

3. 栅-源击穿电压（BV_GS）检测

• 目的：验证栅极绝缘层的耐压能力。
• 方法：
  • 在栅源之间施加反向电压（逐渐升高至数据手册标称值的1.2倍），监测漏电流（I_G）。
  • 若I_G突然增大（如超过1μA），表明栅氧化层击穿。
• 注意：需使用限流电源（≤1mA），避免永久损坏器件。

4. 温度特性检测

• 目的：评估V_GS随温度变化的稳定性。
• 方法：
  • 将器件置于温箱中，在不同温度（-40℃~150℃）下重复测量V_th和I_D。
  • 分析V_th的温度系数（通常为-2mV/℃~-4mV/℃）。

5. 栅极漏电流（I_GSS）检测

• 目的：检测栅极绝缘性能。
• 方法：
  • 在栅源间施加额定V_GS，用皮安表（如Keithley 6487）测量漏电流。
  • 正常值应＜1nA（硅基MOSFET）或＜1μA（功率器件）。

6. 动态响应检测（含直流分量）

• 目的：验证高频开关下的V_GS稳定性。
• 方法：
  • 输入高频方波信号（如100kHz），用示波器（带宽≥100MHz）观测V_GS波形。
  • 检查上升/下降时间是否正常，是否存在振铃或电压跌落。

三、检测步骤示例（以N-MOSFET为例）

1. 准备工作：

   • 断电状态下，确认器件型号及数据手册参数（V_th、BV_GS等）；
   • 佩戴防静电手环，避免静电击穿栅极；
   • 选择合适量程的万用表/示波器探头。

2. 静态V_GS测量：

   • 上电后，黑表笔接源极（S），红表笔接栅极（G），读取V_GS值；
   • 若电路中有下拉电阻（如100kΩ），需考虑其对测量值的影响。

3. 阈值电压（V_th）标定：

   • 按图1搭建电路，V_DD设为5V；
   • 调节V_GS从0V开始逐步增加，记录I_D=1μA时的V_GS即为V_th。

4. 异常处理：

   • 若V_GS始终为0V，检查栅极是否对地短路；
   • 若V_GS漂移，可能器件老化或受潮。

四、注意事项

1. 静电防护：FET栅极易受静电损伤，操作时需接地并避免直接触碰引脚。
2. 仪器选择：测量漏电流时需使用高精度设备（如皮安表），普通万用表分辨率不足。
3. 电路隔离：检测时需断开外围高频电路，防止干扰信号影响直流测量。
4. 温度补偿：高温环境下V_th会降低，设计中需预留余量。

五、总结

栅-源直流电压检测是评估FET性能的基础，重点在于结合器件特性选择检测项目。通过静态工作点分析、阈值电压标定、击穿电压测试等步骤，可全面诊断器件状态，为电路设计与故障排除提供关键数据。实际应用中需严格遵循操作规范，避免误判或器件损坏。

图1：阈值电压测试电路示意图

（栅极G通过可调电压源连接至测试点）