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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。场效应管按导电沟道和工作类型可分为：
???耗尽型??n沟????增强型MOSFET???耗尽型?? FET?p沟??增强型?????JFET?n沟?耗尽型???p沟???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。
二 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）? B（基极）；
S（源极）? E（发射极）； D（漏极）? 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（IDS－VDS）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）； Ⅱ 是饱和区； Ⅲ 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（VGS＞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，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比，即
gm??IDS?VGS
VDS?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50μA）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 ① 将各参数测试条件与测量结果列表，并填入具体数据；② 画出各种场效应管输出及转移特性曲线；③ 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 峰值电压范围 功耗电阻 X轴作用 Y轴作用 阶梯极性
集电极扫描极性
E接地 0~50V 正（+） 1kΩ
集电极电压2V/度 集电极电流0.2mA/度
负（-）
阶梯选择 0.2mA/级（若E-B间不接1kΩ电阻，则选用0.2V/级） 调节峰值电压旋钮，便可得图2-1所示VGS≤0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VGS≥0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?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
①IDSS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，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。
②gm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
gm??IDS?VGS
VDS?10V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。