实验2、场效应晶体管参数测量

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1、实验二 场效应晶体管特性的测量与分析一 前言场效应晶体管不同于一般的双极晶体管。场效应晶体管是一种电压控制器 件。从工作原理看，场效应晶体管与电子管很相似，是通过改变垂直于导电沟道 的电场强度去控制沟道的导电能力，因而称为“场效应”晶体管。场效应晶体管的 工作电流是半导体中的多数载流子的漂移流，参与导电的只有一种载流子，故又 称“单极型”晶体管。通常用“ FET”表示。场效应晶体管分为结型场效应管（JFET ）和绝缘栅型场效应管（MISFET） 两大类。目前多数绝缘栅型场效应应为金属-氧化物-半导体（MOS ）三层结构， 缩写为 MOSFET。本实验对结型、MOS型场效应管的直流参数进行检测。

2、场效应管按导电沟 道和工作类型可分为：M0SFET 0）并大于0.5V时，转移特性曲线开始弯曲，如图2-2中 正向区域虚线所示。这是由于栅极正偏引起栅电流使输入电阻下降。这时如果外电路无保护措施，易将被测管烧毁所以即使栅极正偏也不引起栅电流图 2-1 n 沟耗尽型 MOSFET 输出特性曲线图 2-2 n 沟耗尽型 MOSFET 转移特性曲线而 MOS 场效应管因其栅极有 SiO2 绝缘层 曲线仍向上升，见图 2-2 所示。2）、跨导（gj 跨导是漏源电压一定时，栅压微分增量与由此而产生的漏电流微分增量之 比，即aig 二DS_m avGS怙C跨导表征栅电压对漏电流的控制能力，是衡量场效应管放

3、大作用的重要参 数，类似于双极管的电流放大系数，测量方法也很相似。跨导常以栅压变化 1V 时漏电流变化多少微安或毫安表示。它的单位是 西门子，用S表示，1S=1A/V。或用欧姆的倒数“姆欧”表示，记作“ -1 ”。3）、夹断电压Vp和开启电压 V夹断电压 VP 是对耗尽型管而言，它表示在一定漏源电压 VDS 下，漏极电 流减小到接近于零（或等于某一规定数值，如50yA）时的栅源电压。开启电压VT是对增强型管而言。它表示在一定漏源电压VDS下，开始有 漏电流时对应的栅源电压值。MOS 管的夹断电压和开启电压又统称阈值电压。4）、最大饱和电流（IDss）当栅源电压VGS=0V、漏源电压VDS足够大

4、时所对应的漏源饱和电流为最大 饱和电流。它反映场效应管零栅压时原始沟道的导电能力。显然这一参数只对耗 尽型管才有意义。对于增强型管，由于 VGS = 0 时尚未开启，当然就不会有饱和 电流了。5）、源漏击穿电压（BVDS）当栅源电压 VGS 为一定值时，使漏电流 IDS 开始急剧增加的漏源电压值， 用 BVDS 表示。注意，当VGS不同时，bvds亦不同，通常把VGS=0V时对应的漏源击穿 GSDSGS电压记为bvds。6）、栅源击穿电压（BVGS） 栅源击穿电压是栅源之间所能承受的最高电压。结型场效应管的栅源击穿电压，实际上是单个pn结的击穿电压，因而测试方法与双极管BVebo的测试方法相同

5、。对MOS 管，由于栅极下面的缘绝层是Si02，击穿是破坏性的，因而不能用J4810图示仪测量 MOS 管的 BV 。GS三 实验步骤与要求本实验所用仪器为 XJ4810 型半导体管特性图示仪，待测样品为各种场效应 晶体管（不同样品袋中的管子不尽相同，实验前需预先断管子类型与管脚属性）。实验基本步骤：1、首先开机预热 10 分钟。2、将光点调到荧光屏刻度坐标的左下角，再进行阶梯信号调零，然后逐项测量各 参数。3、根据待测参数，调好 X、Y 轴的旋钮所在类型（电流或电压）与档位（数量级）。4、根据管子的类型，分别对集电极区面板和基极区面板分别进行偏置，这主要包 括：a）、极性（正或负）偏置；b）

6、、电压（或电流）大小偏置，注意施加电压安全（先 小后大），同时加相应的功耗电阻以保护所测样品。实验要求每 样品袋中各含有 MOSFET 和 JFET 样管，分别测量并 将各参数测试条件与测量结 果列表，并填入具体数据；画出各种场效应管输出及转移特性曲线；根据定义，分析 耗尽型、增强型场效应管测量方法的异同点。四、测量内容：以MOS管为例（如下参数为对3D01管的偏置，并非样品袋的管子）1）、调出输出特性曲线，记下各参数偏置情况并保存曲线结果仪器面板各旋钮位置如下 测试台接地选择 峰值电压范围 集电极扫描极性 功耗电阻X 轴作用Y 轴作用阶梯极性阶梯选择E 接地050V正（+）如：lkQ集电极电

7、压2V/度集电极电流0.2mA/度负（-）0.2mA/级（若E-B间不接lkQ电阻，则选用0.2V/级）调节峰值电压旋钮，便可得图2-1所示VGSW0部分输出特性曲线。由于耗尽型场效应管GS栅压可正可负，因而在上述条件下，将阶梯极性由负转换为正，便可得到图示中vGSno部GS分的输出特性曲线。将正负栅压下的曲线合并便可得到总的输出特性曲线（若无阶梯调零， 曲线不能合并 两情况下的图像有重合或分离 。根据所测量的结果（曲线形状），试作简单说明与分析测量各相关参数IDss测量（条件：VGS=0V，VDS=10V）在负栅压情况下，取最上面一条输出特性曲线（VGS=0），取x轴电压VDS=10V时对应

8、GSDS的Y轴电流，便为IDSS值。另一种方法是，将零电流与零电压扳键扳在“零电压”处，荧光屏上只显示VGS=0的一根GS曲线，可读得V S=10V时对应的I 值.这种方法可以避免阶梯调零不准引起的误差。若E、SDSSB间有外接电阻，扳键置于“零电流”档亦可进行IDSS测量。g 测量（条件 VGS=0V，VDS=10V）mGSDSgm值随工作条件变化，一般情况下测量最大的gm值，即测量IDS=IDSS时的gm值。在图 2-1中VGS=0的曲线上，对应于VDS=10V的点，可得GSDSAIDSAVGSVDS10V若测量条件中IDS值较大（如3mA），则需利用正栅压下的曲线进行测量。 Vp测量（条

9、件：IDS=10卩A, VDS=10V） 利用负栅压时的输出特性曲线，从最上面一条曲线向下数，每两条曲线之间的间隔对应一定的栅压值（例如-0.2V）, 直数到IDS=10yA （对应于VDS=10V处，）便可得到Vp值。 IDS=10gA是一个小的值，可以通过改变Y轴上电流的量程读取。DS BVds测量将峰值电压旋钮转回原始位置，电压范围改为0200V, x轴集电极电压改为5V/度，或 10V/度，加大功耗电阻，再调节峰值电压，最下面一条输出特性曲线的转折点处对应的x 轴电压，即为 BVDS 值。Q bvgs测量对 MOS 管而言，栅源击穿是一种破坏性击穿，此处不测量。若样品袋中包含 JFET

10、， 则需测量该电压。若样品袋中含有JFET,需加测此内容。2）、调出转移特性曲线，记下各参数偏置情况并保存曲线结果 转移特性曲线测量的是 IDS 与 VGS 的关系，因而需注意另一管脚（漏极）的偏置，此处DS GS将VDS偏置为10V （也可试着改变该值，看所测结果是否变化）。调整方法：将x轴扳回到集电极电压2V/度,光点移至坐标左下角，然后调节峰值电压， 便得到输出特性曲线，使VGS=0的最上面一条曲线向右延伸至10V即可。再将X轴作用扳GS 回“基极电流”（注意此时必须伴有串联电阻，否则被击穿），光点移回右下角，即可得图2-4 中vgs0部分的曲线，注意在测量过程中，不要再调节峰值电压旋钮

11、。否则Gs=iov的测 量条件将改变。根据上述的转移特性曲线，可测得 IDSS、Vp 及 gm 的值（曲线与坐标右侧线 VGS=0 的交点为IDSS，曲线斜率为gm，ids=10a时对应的VGS值为Vp-此时可将Y轴集电极电流 拨到0.01mA/度，以便于准确测量Vp值（一般用转移特性测量开启电压与夹断电压比较准 确、方便）。将上述结果与 1）中获得的结果进行比较，分析异同点。然后，将阶梯极性转为正，将Y轴集电极电流增大为0.5mA/度，同时将光点移至坐标 底线的中点，便得到正栅压时的转移特性。将栅压分别为负、为正时的曲线合并，便得图 2-4所示总的转移特性曲线。注意,功耗电阻取得较大时，正栅

12、压转移特性会出现变平现象。 这是因为管子进入可调电阻区的缘故。由于漏极、源极在工艺结构上接近对称，因而场效应管的漏、源可以倒接，而且与正接 时曲线相象，各主要参数也接近相等。因此，可以通过倒接，适当调节和选择场效应管的参 数值。倒接测量时，只须将 S、D 管脚互换，其余不变。实验后将测试条件与测试结果列表，并填上具体数据：然后画出输出与转移特性曲线: 根据定义，分析耗尽型、增强型 MOS 管测量方法的异同点。问题：1、以 N-JFET 为例说明各管脚的偏置极性（正或负），及如此偏置的原因。2、以P-JFET为例，在栅极加负电压时，JFET的输出特性曲线与栅极加正 偏时相似（只是电流较大，同时表现得类似于增强型FET）,曲线形状“较理想”, 但实际应用中通常不采用这种偏置，试说明原因。3、采用图示仪测量MOS管，阶梯信号采用电流档时，为何需在G、S间外接一电阻？4、说明 MOS 管中体二极管的产生原因及管脚偏置要求。