實(shí)驗(yàn)2、場(chǎng)效應(yīng)晶體管參數(shù)測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)二 場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性的測(cè)量與分析刖言場(chǎng)效應(yīng)晶體管不同于一般的雙極晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種電壓控制器 件。從工作原理看，場(chǎng)效應(yīng)晶體管與電子管很相似，是通過(guò)改變垂直于導(dǎo)電溝道 的電場(chǎng)強(qiáng)度去控制溝道的導(dǎo)電能力，因而稱為場(chǎng)效應(yīng)”晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 工作電流是半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的漂移流， 參與導(dǎo)電的只有一種載流子，故又 稱 單極型”晶體管。通常用“FET表示。場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MISFET） 兩大類。目前多數(shù)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)為金屬 -氧化物-半導(dǎo)體（MOS）三層結(jié)構(gòu)， 縮寫為MOSFET。本實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)型、MOS型場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。場(chǎng)效應(yīng)管按導(dǎo)

2、電溝 道和工作類型可分為：泊耗盡型n溝-1增強(qiáng)型MOSFETg :FET+耗盡型 p溝J增強(qiáng)型n溝JFETP溝檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管特性，可采用單項(xiàng)參數(shù)測(cè)試儀或綜合參數(shù)測(cè)試儀。同時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管與雙極管有許多相似之處，故通常亦采用 XJ4810半導(dǎo)體管圖示儀檢測(cè)其直 流參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)利用XJ4810半導(dǎo)體管圖示儀檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)， 了解場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理及其與雙極晶體管的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)原理1.實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器為XJ4810圖示儀，與測(cè)量雙極晶體管直流參數(shù)相似，但由于所檢 測(cè)的場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，測(cè)量中須將輸入的基極電流改換為基極電壓，這可將基極階梯選擇選用電壓檔（伏/級(jí)）；也可選用電流檔（毫安

3、/級(jí)），但選用電 流檔必須在測(cè)試臺(tái)的B-E間外接一個(gè)電阻，將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸入電壓。測(cè)量時(shí)將場(chǎng)效應(yīng)管的管腳與雙極管腳一一對(duì)應(yīng)，即G （柵極）B （基極）；S （源極）E （發(fā)射極）；D （漏極）C （集電極）。值得注意的是，測(cè)量MOS管時(shí)，若沒(méi)有外接電阻，必須避免階梯選擇直接 采用電流檔，以防止損壞管子。另外，由于場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗很高，在柵極上感應(yīng)出來(lái)的電荷很難通過(guò)輸入 電阻泄漏掉，電荷積累會(huì)造成電位升高。尤其在極間電容較小的情況下，常常在 測(cè)試中造成MOS管感應(yīng)擊穿，使管子損壞或指標(biāo)下降。因而在檢測(cè) MOS管時(shí), 應(yīng)盡量避免柵極懸空，且源極接地要良好，交流電源插頭也最好采用三眼插頭， 并將地

4、線（E接線柱）與機(jī)殼相通。存放時(shí)，要將管子三個(gè)電極引線短接。2.參數(shù)定義1）、輸出特性曲線與轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線（Ids Vds）即漏極特性曲線，它與雙極管的輸出特性曲線相 似，如圖2-1所示。在曲線中，工作區(qū)可分為三部分：I是可調(diào)電阻區(qū)（或稱非飽和區(qū)）；n是飽和區(qū)；川是擊穿區(qū)。轉(zhuǎn)移特性曲線為Ids Vds之間的關(guān)系曲線，它反映了場(chǎng)效應(yīng)管柵極的控制 能力。由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管都屬于耗盡型，且柵源之間相當(dāng)于一個(gè)二極管，所以當(dāng)柵壓正偏（Vgs0）并大于0.5V時(shí)，轉(zhuǎn)移特性曲線開(kāi)始彎曲，如圖 2-2中 正向區(qū)域虛線所示。這是由于柵極正偏引起柵電流使輸入電阻下降。這時(shí)如果外 電路無(wú)保護(hù)措施，易將被

5、測(cè)管燒毀，而 MOS場(chǎng)效應(yīng)管因其柵極有SiO2絕緣層,所以即使柵極正偏也不引起柵電流，曲線仍向上升，見(jiàn)圖2-2所示圖2-1 n溝耗盡型 MOSFET輸出特性曲線圖2-2 n溝耗盡型 MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線2）、跨導(dǎo)（gm）跨導(dǎo)是漏源電壓一定時(shí)，柵壓微分增量與由此而產(chǎn)生的漏電流微分增量之 比，即gm1 DSVDS兀跨導(dǎo)表征柵電壓對(duì)漏電流的控制能力，是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大作用的重要參數(shù)，類似于雙極管的電流放大系數(shù)，測(cè)量方法也很相似。跨導(dǎo)常以柵壓變化1V時(shí)漏電流變化多少微安或毫安表示。它的單位是 西門子，用S表示，1S=1A/V。或用歐姆的倒數(shù) 姆歐”表示，記作“ -1 ”3）、夾斷電壓Vp和開(kāi)啟電壓

6、Vt夾斷電壓Vp是對(duì)耗盡型管而言，它表示在一定漏源電壓 Vds下，漏極電 流減小到接近于零（或等于某一規(guī)定數(shù)值，如50 A）時(shí)的柵源電壓。開(kāi)啟電壓Vt是對(duì)增強(qiáng)型管而言。它表示在一定漏源電壓 Vds下，開(kāi)始有 漏電流時(shí)對(duì)應(yīng)的柵源電壓值。MOS管的夾斷電壓和開(kāi)啟電壓又統(tǒng)稱閾值電壓。4）、最大飽和電流（Idss）當(dāng)柵源電壓Vgs=0V、漏源電壓Vds足夠大時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏源飽和電流為最大 飽和電流。它反映場(chǎng)效應(yīng)管零柵壓時(shí)原始溝道的導(dǎo)電能力。顯然這一參數(shù)只對(duì)耗盡型管才有意義。對(duì)于增強(qiáng)型管，由于 Vgs = 0時(shí)尚未開(kāi)啟，當(dāng)然就不會(huì)有飽和 電流了。5）、源漏擊穿電壓（BVds）當(dāng)柵源電壓Vgs為一定值時(shí)，使

7、漏電流Ids開(kāi)始急劇增加的漏源電壓值， 用BV ds表示。注意，當(dāng)Vgs不同時(shí)，BVds亦不同，通常把 Vgs=0V時(shí)對(duì)應(yīng)的漏源擊穿 電壓記為BVds。6）、柵源擊穿電壓（BVgs）柵源擊穿電壓是柵源之間所能承受的最高電壓。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵源擊穿電壓，實(shí) 際上是單個(gè)pn結(jié)的擊穿電壓，因而測(cè)試方法與雙極管BV ebo的測(cè)試方法相同。 對(duì)MOS管，由于柵極下面的緣絕層是 Si02，擊穿是破壞性的，因而不能用 XJ4810圖示儀測(cè)量 MOS 管的 BVgs。三實(shí)驗(yàn)步驟與要求本實(shí)驗(yàn)所用儀器為XJ4810型半導(dǎo)體管特性圖示儀，待測(cè)樣品為各種場(chǎng)效應(yīng) 晶體管（不同樣品袋中的管子不盡相同，實(shí)驗(yàn)前需預(yù)先斷管子類

8、型與管腳屬性） 實(shí)驗(yàn)基本步驟：1、首先開(kāi)機(jī)預(yù)熱10分鐘。2、將光點(diǎn)調(diào)到熒光屏刻度坐標(biāo)的左下角，再進(jìn)行階梯信號(hào)調(diào)零，然后逐項(xiàng)測(cè)量各 參數(shù)。3、 根據(jù)待測(cè)參數(shù)，調(diào)好X、Y軸的旋鈕所在類型（電流或電壓）與檔位（數(shù)量級(jí)）4、根據(jù)管子的類型，分別對(duì)集電極區(qū)面板和基極區(qū)面板分別進(jìn)行偏置，這主要包括：a）、極性（正或負(fù)）偏置；b）、電壓（或電流）大小偏置，注意施加電壓安全（先小后大），同時(shí)加相應(yīng)的功耗電阻以保護(hù)所測(cè)樣品。實(shí)驗(yàn)要求每樣品袋中各含有 MOSFE和JFET樣管，分別測(cè)量并 將各參數(shù)測(cè)試條件與測(cè)量結(jié) 果列表，并填入具體數(shù)據(jù)；畫出各種場(chǎng)效應(yīng)管輸出及轉(zhuǎn)移特性曲線； 根據(jù)定義，分析耗盡型、增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管測(cè)

9、量方法的異同點(diǎn)。四、測(cè)量?jī)?nèi)容：以MOS管為例（如下參數(shù)為對(duì)3D01管的偏置，并非樣品袋的管子）1）、調(diào)出輸出特性曲線，記下各參數(shù)偏置情況并保存曲線結(jié)果如：儀器面板各旋鈕位置如下:測(cè)試臺(tái)接地選擇 峰值電壓范圍集電極掃描極性功耗電阻E接地050V正（+）1kQX軸作用Y軸作用 階梯極性 階梯選擇集電極電壓2V/度集電極電流0.2mA/度負(fù)（-）0.2mA/級(jí)（若E-B間不接1kQ電阻，則選用 0.2V/級(jí)）調(diào)節(jié)峰值電壓旋鈕，便可得圖2-1所示VgsWO部分輸出特性曲線。由于耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管Vgs0 部柵壓可正可負(fù)，因而在上述條件下，將階梯極性由負(fù)轉(zhuǎn)換為正，便可得到圖示中 分的輸出特性曲線。將正負(fù)柵壓

10、下的曲線合并便可得到總的輸出特性曲線（若無(wú)階梯調(diào)零, 曲線不能合并 兩情況下的圖像有重合或分離）。根據(jù)所測(cè)量的結(jié)果（曲線形狀），試作簡(jiǎn)單說(shuō)明與分析。測(cè)量各相關(guān)參數(shù) Idss 測(cè)量（條件：Vgs=OV，Vds=1OV ）在負(fù)柵壓情況下，取最上面一條輸出特性曲線（Vgs=O），取x軸電壓Vds=1OV時(shí)對(duì)應(yīng)的Y軸電流，便為Idss值。另一種方法是，將零電流與零電壓扳鍵扳在 零電壓”處，熒光屏上只顯示 Vgs=O的一根 曲線，可讀得Vds=10V時(shí)對(duì)應(yīng)的Idss值。這種方法可以避免階梯調(diào)零不準(zhǔn)引起的誤差。若E、 B間有外接電阻，扳鍵置于 零電流”檔亦可進(jìn)行Idss測(cè)量。 gm 測(cè)量（條件 Vgs=O

11、V，Vds=10V ）gm值隨工作條件變化，一般情況下測(cè)量最大的gm值，即測(cè)量 1 DS = I DSS 時(shí)的gm值。在圖2-1中Vgs=O的曲線上，對(duì)應(yīng)于 Vds=1OV的點(diǎn)，可得-I DSgm二亍vgs vds #ov若測(cè)量條件中Ids值較大（如3mA ），則需利用正柵壓下的曲線進(jìn)行測(cè)量。Vp測(cè)量（條件：Ids=10 A, Vds=10V）利用負(fù)柵壓時(shí)的輸出特性曲線，從最上面一條曲線向下數(shù)，每?jī)蓷l曲線之間的間隔對(duì)應(yīng)一定的柵壓值（例如-0.2V），一直數(shù)到Ids=10訃（對(duì)應(yīng)于Vds=10V處，）便可得到 Vp值。 Ids=10 yA是一個(gè)小的值，可以通過(guò)改變Y軸上電流的量程讀取。BVds測(cè)

12、量將峰值電壓旋鈕轉(zhuǎn)回原始位置，電壓范圍改為0200V, x軸集電極電壓改為 5V/度，或10V/度，加大功耗電阻，再調(diào)節(jié)峰值電壓，最下面一條輸出特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的x軸電壓，即為BVds值。BV gs測(cè)量JFET,對(duì)MOS管而言，柵源擊穿是一種破壞性擊穿，此處不測(cè)量。若樣品袋中包含 則需測(cè)量該電壓。若樣品袋中含有JFET,需加測(cè)此內(nèi)容。2）、調(diào)出轉(zhuǎn)移特性曲線，記下各參數(shù)偏置情況并保存曲線結(jié)果轉(zhuǎn)移特性曲線測(cè)量的是Ids與Vgs的關(guān)系，因而需注意另一管腳（漏極）的偏置，此處 將VDS偏置為10V （也可試著改變?cè)撝?，看所測(cè)結(jié)果是否變化）。調(diào)整方法：將x軸扳回到集電極電壓 2V/度，光點(diǎn)移至坐標(biāo)

13、左下角，然后調(diào)節(jié)峰值電壓，便得到輸出特性曲線，使 Vgs=O的最上面一條曲線向右延伸至10V即可。再將X軸作用扳回基極電流”（注意此時(shí)必須伴有串聯(lián)電阻，否則被擊穿），光點(diǎn)移回右下角，即可得圖2-4中VgsWO部分的曲線，注意在測(cè)量過(guò)程中，不要再調(diào)節(jié)峰值電壓旋鈕。否則 Vgs=1OV的測(cè) 量條件將改變。根據(jù)上述的轉(zhuǎn)移特性曲線，可測(cè)得IDSS、Vp及gm的值（曲線與坐標(biāo)右側(cè)線 Vgs=O的交點(diǎn)為Idss，曲線斜率為gm，Ids=10 yA時(shí)對(duì)應(yīng)的Vgs值為Vp-此時(shí)可將Y軸集電極電流 撥到0.01mA/度，以便于準(zhǔn)確測(cè)量 Vp值（一般用轉(zhuǎn)移特性測(cè)量開(kāi)啟電壓與夾斷電壓比較準(zhǔn) 確、方便）。將上述結(jié)果與

14、1）中獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，分析異同點(diǎn)。然后，將階梯極性轉(zhuǎn)為正，將Y軸集電極電流增大為 0.5mA/度，同時(shí)將光點(diǎn)移至坐標(biāo)底線的中點(diǎn)，便得到正柵壓時(shí)的轉(zhuǎn)移特性。將柵2-4所示總的轉(zhuǎn)移特性曲線。注意,功耗電阻取得較大時(shí)， 正柵壓轉(zhuǎn)移特性會(huì)出現(xiàn)變平現(xiàn)象。這是因?yàn)楣茏舆M(jìn)入可調(diào)電阻區(qū)的緣故。圖2-4 n溝耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線Ids圖2-3 n溝耗盡型MOS管的測(cè)量接線示意圖由于漏極、源極在工藝結(jié)構(gòu)上接近對(duì)稱，因而場(chǎng)效應(yīng)管的漏、源可以倒接，而且與正接時(shí)曲線相象，各主要參數(shù)也接近相等。因此，可以通過(guò)倒接，適當(dāng)調(diào)節(jié)和選擇場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)值。倒接測(cè)量時(shí)，只須將 S、D管腳互換，其余不變。實(shí)驗(yàn)后將測(cè)試條件與測(cè)試結(jié)果列表，并填上具體數(shù)據(jù)；然后畫出輸出與轉(zhuǎn)移特性曲線； 根據(jù)定義，分析