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试验二场效应晶体管特性的测量与分析一前后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掌握器件从工作原理看,场效应晶体管与电子管很相像,是通过转变垂直于导电沟道的电场强度去掌握沟道的导电力量,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,参加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MOSFETo本试验对结型、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,可采纳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很多相像之处,故通常亦采纳XJ4810半导体管图示仪检测其直流参数本试验目的是通过采用XJ4810半导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分二试验原理.试验仪器试验仪器为XJ4810图示仪,与测量双极晶体管直流参数相像,但由于所检测的场效应管是电压掌握器件,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),但选用电流档必需在测试台的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)(基极);S(源极)今E(放射极);D(漏极)TC(集电极)值得留意的是,测量MOS管时,若没有外接电阻,必需避开阶梯选择直接采纳电流档,以防止损坏管子此外,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提升尤其在极间电容较小的状况下,经常在测试中造成MOS管感应击穿,使管子损坏或指标下降因而在检测MOS管时应尽量避开栅极悬空,且源极接地要良好,沟通电源插头也最好采纳三眼插头,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.参数定义1)、输出特性曲线与转移特性曲线输出特性曲线(Ids-Vds)即漏极特性曲线,它与双极管的输出特性曲线相像,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);II是饱和区;m是击穿区转移特性曲线为Ids—Vds之间的关系曲线,它反映了场效应管栅极的掌握力量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,转移特性曲线开头弯曲,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假如外电路无爱护措施,易将被测管烧毁,而MOS场效应管因其栅极有SiCb绝缘层,所以即使栅极正偏也不引起栅电流,曲线仍向提升,见图2-2所示图2-In沟耗尽型MOSFET输出特性曲线图2-2n沟耗尽型MOSFET转移特性曲线2)、跨导(gm)跨导是漏源电压肯定时,栅压微分增量与由此而产生的漏电流微分增量之比,即跨导表征栅电压对漏电流的掌握力量,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,测量方法也很相像跨导常以栅压变化IV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,它表示在肯定漏源电压Vds下,漏极电流减小到接近于零(或等于某一规定数值,如50pA)时的栅源电压开启电压Vt是对增加型管而言它表示在肯定漏源电压Vds下,开头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力量明显这一参数只对耗尽型管才有意义对于增加型管,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为肯定值时,使漏电流Ids开头急剧增加的漏源电压值,用BVds表示留意当Vg5不同时BVds亦不同通常把Vgs=OV时对应的漏源击穿电压记为BYds6)、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MOS管由于栅极下面的缘绝层是双2击穿是破坏性的因而不能用XJ4810图示仪测量MOS管的BHgs三试验步骤与要求本试验所用仪器为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,试验前需预先断管子类型与管脚属性)试验基本步骤
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、依据待测参数,调好X、Y轴的旋钮所在类型(电流或电压)与档位(数量级)
4、依据管子的类型,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,留意施加电压平安(先小后大),同时加相应的功耗电阻以爱护所测样品试验要求每样品袋中各含有MOSFET和JFET样管,分别测量并
①将各参数测试条件与测量结果列表,并填入详细数据;
②画出各种场效应管输出及转移特性曲线;
③依据定义,分析耗尽型、增加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,登记各参数偏置状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0-50V集电极扫描极性正(+)功耗电阻IkQX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(-)阶梯选择
0.2mA/级(若E-B间不接IkQ电阻,则选用
0.2V/级)调整峰值电压旋钮,便可得图2-1所示VgsWO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分两状况下的图像有重合或分别)依据所测量的结果(曲线外形),试作简洁说明与分析测量各相关参数
①Idss测量(条件Vgs=OVVds=1OV)在负栅压状况下,取最上面一条输出特性曲线(Vgs=),取x轴电压Vds=1OV时对应的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=O的一根曲线,可读得Vds=1OV时对应的Idss值这种方法可以避开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
②gm测量(条件Vgs=OVVDs=1OV)gm值随工作条件变化,一般状况下测量最大的gm值,即测量lDS=lDSS时的gm值在图2-1中Vgs=O的曲线上,对应于Vds=1OV的点,可得若测量条件中Ids值较大(如3mA)则需采用正栅压下的曲线进行测量
③Vp测量(条件显=量心,VDs=10V)采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肯定的栅压值(例如-
0.2V)始终数到展=10必(对应于Vds=10V处,)便可得到Vp值Ids=1O|iA是一个小的值,可以通过转变Y轴上电流的量程读取
④BVds测量将峰值电压旋钮转回原始位置,电压范围改为0〜200Vx轴集电极电压改为5V/度,或10V/度,加大功耗电阻,再调整峰值电压,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
⑤BVgs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,登记各参数偏置状况并保存曲线结果转移特性曲线测量的是Ids与Vgs的关系,因而需留意另一管脚(漏极)的偏置,此处将VDS偏置为10V(也可试着转变该值,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,然后调整峰值电压便得到输出特性曲线,使Vgs=O的最上面一条曲线向右延长至10V即可再将X轴作用扳回“基极电流’(留意此时必需伴有串联电阻,否则被击穿),光点移回右下角,即可得图2-4中VgsSO部分的曲线,留意在测量过程中,不要再调整峰值电压旋钮否则7Gs=10V的测量条件将转变依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=1O|1A时对应的Vgs值为Vp-此时可将Y轴集电极电流拨至IJ
0.01mA/度,以便于精确测量Vp值(一般用转移特性测量开启电压与夹断电压比较精确、便利)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留意功耗电阻取得较大时,正栅压转移特性会消失变平现象这是由于管子进入可调电阻区的原因图2-3n沟耗尽型MOS管的测量接线示意图图2-4n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,适当调整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,其余不变试验后将测试条件与测试结果列表并填上详细数据;然后画出输出与转移特性曲线;依据定义,分析耗尽型、增加型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),及如此偏置的缘由
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像(只是电流较大,同时表现得类似于增加型FET)曲线外形“较抱负”但实际应用中通常不采纳这种偏置,试说明缘由
3、采纳图示仪测量MOS管,阶梯信号采纳电流档时,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缘由及管脚偏置要求。