教学案例2：场效应晶体管特性的测量与分析

1、职业教育电气自动化技术专业教学资源库教 学 案 例课程名称：电工电子技术项目名称：常用半导体器件知 识 点：MOS场效应管结构与工作原理编 制 人：韩振花邮 箱：hanzhenhua20电 话制时间：2015年4月编制单位：淄博职业学院电工电子技术课程案例场效应晶体管特性的测量与分析课程案例名称场效应晶体管特性的测量与分析课程案例编号02关键词MOS场效应管测试应用对应知识点光电耦合器案例描述：MOS场效应管的测试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

2、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。场效应管按导电沟道和工作类型可分为：检测场效应管特性，可采用单项参数测试仪或综合参数测试仪。同时，场效应管与双极管有许多相似之处，故通常亦采用XJ4810半导体管图示仪检测其直流参数。本实验目的是通过利用XJ4810半导

3、体管图示仪检测场效应管的直流参数，了解场效应管的工作原理及其与双极晶体管的区别。实验原理1. 实验仪器实验仪器为XJ4810图示仪，与测量双极晶体管直流参数相似，但由于所检测的场效应管是电压控制器件，测量中须将输入的基极电流改换为基极电压，这可将基极阶梯选择选用电压档（伏/级）；也可选用电流档（毫安/级），但选用电流档必须在测试台的B-E间外接一个电阻，将输入电流转换成输入电压。测量时将场效应管的管脚与双极管脚一一对应，即G（栅极）à B（基极）；S（源极）à E（发射极）；D（漏极）à C（集电极）。值得注意的是，测量MOS管时，若没有外接电阻，必须避免阶梯选择

4、直接采用电流档，以防止损坏管子。另外，由于场效应管输入阻抗很高，在栅极上感应出来的电荷很难通过输入电阻泄漏掉，电荷积累会造成电位升高。尤其在极间电容较小的情况下，常常在测试中造成MOS管感应击穿，使管子损坏或指标下降。因而在检测MOS管时，应尽量避免栅极悬空，且源极接地要良好，交流电源插头也最好采用三眼插头，并将地线（E接线柱）与机壳相通。存放时，要将管子三个电极引线短接。2. 参数定义1）、输出特性曲线与转移特性曲线 输出特性曲线（IDSVDS）即漏极特性曲线，它与双极管的输出特性曲线相似，如图2-1所示。在曲线中，工作区可分为三部分：I 是可调电阻区（或称非饱和区）； 是饱和区； 是击穿区

5、。 转移特性曲线为IDSVDS之间的关系曲线，它反映了场效应管栅极的控制能力。由于结型场效应晶体管都属于耗尽型，且栅源之间相当于一个二极管，所以当栅压正偏（VGS0）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，而MOS场效应管因其栅极有SiO2绝缘层，所以即使栅极正偏也不引起栅电流，曲线仍向上升，见图2-2所示。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2）、跨导(gm) 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

6、比，即跨导表征栅电压对漏电流的控制能力，是衡量场效应管放大作用的重要参数，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VT 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50A）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

7、VGS=0V、漏源电压VDS足够大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。对M

8、OS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XJ4810图示仪测量MOS管的BVGS。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）、电压（或电流）大小偏置，注意

9、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如：仪器面板各旋钮位置如下：测试台接地选择 E接地峰值电压范围 050V集电极扫描极性 正（+）功耗电阻 1kX轴作用 集电极电压2V/度Y轴作用 集电极电流0.2mA/度阶梯极性 负（-）阶梯选

10、择 0.2mA/级（若E-B间不接1k电阻，则选用0.2V/级）调节峰值电压旋钮，便可得图2-1所示VGS0部分输出特性曲线。由于耗尽型场效应管栅压可正可负，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VGS0部分的输出特性曲线。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à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时对应的Y轴电流，便为IDSS值。另一种方法是

11、，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的一根曲线，可读得VDS=10V时对应的IDSS值。这种方法可以避免阶梯调零不准引起的误差。若E、B间有外接电阻，扳键置于“零电流”档亦可进行IDSS测量。gm测量（条件VGS=0V，VDS=10V）gm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（条件：IDS=10A，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

12、对应一定的栅压值（例如-0.2V），一直数到IDS=10A（对应于VDS=10V处，）便可得到VP值。IDS=10A是一个小的值，可以通过改变Y轴上电流的量程读取。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。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，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

13、关系，因而需注意另一管脚（漏极）的偏置，此处将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。否则VGS=10V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

14、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。图2-3 n沟耗尽型MOS管的测量接线示意图 图2-4 n沟耗尽型MOS管的转移特性曲线由于漏极、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