MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性與參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

曹鐘林

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　無(wú)錫　214153）

MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性與參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

曹鐘林

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214153）

場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱(chēng)FET）是一種由輸入電壓來(lái)控制其輸出電流大小的半導(dǎo)體器件，是電壓控制器件，其輸入電阻非常高，輸入端基本不取電流。由于金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET）柵極和溝道之間的絕緣層易被電壓擊穿，特別是柵源之間的耐壓只有幾十伏，外部靜電電壓極易造成柵源極間擊穿損壞。文章針對(duì)MOSFET在實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)量、測(cè)試過(guò)程中容易損壞的問(wèn)題，根據(jù)MOSFET工作特性及測(cè)試要求，設(shè)計(jì)出較為便捷和安全可靠的MOSFET實(shí)驗(yàn)教學(xué)電路。

場(chǎng)效應(yīng)管；MOS；測(cè)試；參數(shù)；保護(hù)

一、場(chǎng)效應(yīng)管主要工作特性及一般測(cè)試

（一）場(chǎng)效應(yīng)管概述

場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流的半導(dǎo)體器件，外形與封裝基本類(lèi)同三極管。場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)電極，分別為柵極（gate）G，源極（source）S和漏極（drain）D。概括地說(shuō)，場(chǎng)效應(yīng)管施加不同的柵源電壓UGS和漏源UDS可以使場(chǎng)效應(yīng)管工作在不同區(qū)域，即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。如場(chǎng)效應(yīng)管用于電壓放大，管子工作應(yīng)在恒流區(qū)，一般通過(guò)外部電路為場(chǎng)效應(yīng)管建立合適的工作偏置電壓，即給場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)置合適的靜態(tài)偏置電壓UGS和UDS，分壓式偏置電路（見(jiàn)圖1）是常見(jiàn)的方式。需要指出的是場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)避免工作在擊穿區(qū)。

圖1　N溝道增強(qiáng)型MOSFET共源放大電路

（二）場(chǎng)效應(yīng)管的管型特征辨識(shí)

場(chǎng)效應(yīng)管的管型有六種:N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 （符號(hào)見(jiàn)圖2）、P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 （符號(hào)見(jiàn)圖3）、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管（符號(hào)見(jiàn)圖4）、P溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管（符號(hào)見(jiàn)圖5）、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管 （符號(hào)見(jiàn)圖6）、P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)MOS管（符號(hào)見(jiàn)圖7）。

根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)的辨識(shí)管型方法:柵極和溝道之間有電接觸為結(jié)型，柵極和溝道之間沒(méi)有電接觸則為MOS型。溝道為直線為耗盡型，虛線則為增強(qiáng)型；箭頭指向溝道為N溝道，箭頭背向溝道則為P溝道。

（三）場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要參數(shù)

1.開(kāi)啟電壓uT和夾斷電壓uP

uDS一定，漏極電流iD等于某一微小電流時(shí)，柵、源之間所加的電壓uGS，對(duì)于增強(qiáng)型MOS管稱(chēng)為開(kāi)啟電壓uT，對(duì)于耗盡型MOS管稱(chēng)為夾斷電壓uP。

2.飽和漏極電流IDSS

IDSS是耗盡型管子的參數(shù)，指工作在恒流區(qū)的耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管在uGS=0時(shí)的飽和漏極電流。

3.直流輸入電阻RGS

圖2　N溝道結(jié)型FET符號(hào)

圖3　P溝道結(jié)型FET符號(hào)

圖4　N溝道增強(qiáng)型MOSFET符號(hào)

圖5　P溝道增強(qiáng)型MOSFET符號(hào)

圖6　N溝道耗盡型MOSFET符號(hào)

圖7　P溝道耗盡型MOSFET符號(hào)

RGS指漏、源極間短路時(shí)，柵、源之間所加直流電壓與柵極直流電流之比。一般JFET的RGS＞105Ω，而MOS管的RGS＞109Ω。

4.低頻跨導(dǎo)（互導(dǎo)）gm

當(dāng)uDS為某定值時(shí)，漏極電流iD的變化量和引起它變化的uGS變化量之比，即gm反映了uGS對(duì)iD的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)，單位為西門(mén)子（S），一般為幾～幾十毫西門(mén)子（mS）。gm的值與管子的工作點(diǎn)有關(guān)。

（四）場(chǎng)效應(yīng)管的一般測(cè)試

1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管S、G、D電極判別

將指針式萬(wàn)用表放置在R×1k檔，任選兩個(gè)電極，分別測(cè)出其正、反向電阻值。當(dāng)某兩個(gè)電極的正、反向電阻值相等，且為幾千歐姆時(shí)，則該兩個(gè)電極分別是漏極D和源極S。因?yàn)閷?duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管而言，漏極和源極可互換，剩下的電極即為柵極G。

2.用感應(yīng)信號(hào)法測(cè)JFET管放大能力

用指針式萬(wàn)用表電阻的R×100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，給場(chǎng)效應(yīng)管加上1.5V的電源電壓（萬(wàn)用表內(nèi)部電池電壓），此時(shí)表針指示出漏源極間的電阻值。然后用手捏住結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G，將人體的感應(yīng)電壓信號(hào)加到柵極上，由此觀察到表針有較大幅度的擺動(dòng)。如果手捏柵極表針擺動(dòng)較小，說(shuō)明管的放大能力較差；表針擺動(dòng)較大，表明管的放大能力大；若表針不動(dòng)，說(shuō)明管子是壞的。

此方法對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)管也適用。但要注意，MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻高，柵極G允許的感應(yīng)電壓不應(yīng)過(guò)高，所以不要直接用手去捏柵極，必須手握螺絲刀的絕緣柄，用金屬桿去碰觸柵極，以防止人體感應(yīng)電荷直接加到柵極，引起柵源極間擊穿損壞。每次測(cè)量完畢，G-S極間應(yīng)當(dāng)短路一下，釋放掉G-S結(jié)電容上充有的少量電荷，否則可能無(wú)法再次進(jìn)行測(cè)量。對(duì)VMOSV溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管測(cè)量跨導(dǎo)性能時(shí)，將萬(wàn)用表的歐姆擋選在R× 10kΩ的高阻檔即可。

需要指出，以上測(cè)試應(yīng)小心謹(jǐn)慎測(cè)試，特別是MOS管的測(cè)試更甚。

（五）場(chǎng)效應(yīng)管的主要應(yīng)用

場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于各種放大電路；場(chǎng)效應(yīng)管非常適合作阻抗變換；場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻；場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源；場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開(kāi)關(guān)等。

場(chǎng)效應(yīng)管由于輸入端基本不取電流，即輸入電阻高，對(duì)于高內(nèi)阻的信號(hào)源能有效進(jìn)行放大。

二、MOS場(chǎng)效應(yīng)管在實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)量、測(cè)試存在的問(wèn)題

場(chǎng)效應(yīng)管 （簡(jiǎn)稱(chēng)FET）作為一種電壓控制器件，其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被廣泛應(yīng)用。但是場(chǎng)效應(yīng)管，特別是MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管比較“嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電，少量電荷就可在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此產(chǎn)品出廠時(shí)各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內(nèi)，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時(shí)，全部引線也應(yīng)短接。在測(cè)量時(shí)應(yīng)格外小心，并采取相應(yīng)的防靜電感措施。

目前國(guó)內(nèi)高校，特別是高職院校在“模擬電子技術(shù)與實(shí)踐”教學(xué)過(guò)程中，通常晶體三極管（BJT）講得多，講得透，又有相關(guān)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的配合，教學(xué)效果較好。場(chǎng)效應(yīng)管教學(xué)通常以結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管FET為例，進(jìn)行講解分析，并有相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)配合，而對(duì)MOS管電路的分析比較膚淺，只是作一般講述，很少有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)配合，不作為重點(diǎn)講解，其主要原因是MOS在實(shí)驗(yàn)中損壞較多，實(shí)驗(yàn)成本較高，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展。但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，MOS管的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，應(yīng)該得到應(yīng)有的重視，對(duì)MOS管電路的分析并附有相關(guān)實(shí)驗(yàn)很有必要，實(shí)驗(yàn)中采取相應(yīng)的防靜電措施以防止或減少M(fèi)OS管的損壞是關(guān)鍵所在，只要措施得當(dāng)，問(wèn)題就迎刃而解。除了盡可能釋放外部靜電，避免外部靜電對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管造成的擊穿損壞外（例如測(cè)試儀器、工作臺(tái)、電烙鐵、線路本身都必須良好接地），再就是在實(shí)驗(yàn)裝置上設(shè)置保護(hù)電路，防止學(xué)生誤操作造成的場(chǎng)效應(yīng)管損壞。

三、NMOSFET主要參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

（一）具有雙重保護(hù)NMOSFET實(shí)驗(yàn)電路原理圖（圖8所示）

圖8　雙重保護(hù)NMOSFET實(shí)驗(yàn)電路原理圖

（二）電路組成和保護(hù)原理

利用穩(wěn)壓管D1、D2及D3和繼電器控制的S2開(kāi)關(guān)對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行極間雙重保護(hù)，其特點(diǎn)就是在未進(jìn)行測(cè)試時(shí)，即實(shí)驗(yàn)電路未通電時(shí)，繼電器J失電，S2常閉觸頭處于閉合狀態(tài)，G-S極間短接，MOS管處保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)電路搭建完畢通電實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，繼電器J得電S2常閉觸頭斷開(kāi)，解除G-S極間短接保護(hù)。測(cè)試過(guò)程中，由D1、D2、D3組成的二極管保護(hù)電路起作用，可以有效防止調(diào)測(cè)電路、誤操作（如帶電焊接電路）損壞MOS管。

（三）工作原理和各元器件作用概述

由W、R1、R3、R5、Q、R4、R5、C3組成分壓式共源放大電路。調(diào)整W可改變MOS管的靜態(tài)工作點(diǎn)，即IDQ、UGSQ、UDSQ的值。其中Q選用2F7000，2F7000為N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，R4為漏極電阻，R5為源極電阻，R6為負(fù)載電阻，R2可減少分壓式偏置電阻對(duì)輸入電阻Ri的影響，C1為輸入交流耦合電容，C2為輸出交流耦合電容，C3為交流旁路電容，mA為電流ID測(cè)試口，uA為電流IG測(cè)試口，S1為輸入與輸出交流信號(hào)電壓（交流毫伏表或示波器）測(cè)試轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，由繼電器J控制的S2為測(cè)試前保護(hù)開(kāi)關(guān)，S3為UGS與UDS直流電壓測(cè)試轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，S4為空載與有載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，D1、D2為測(cè)試保護(hù)穩(wěn)壓二極管，將UGS的值限制在D1或D2的穩(wěn)壓值內(nèi)，防止GS極間擊穿損壞。D3為鉗位保護(hù)二極管，當(dāng)漏極有過(guò)高負(fù)的干擾脈沖時(shí)，D3導(dǎo)通將其吸收，防止D-S極間擊穿損壞。

（四）MOS管主要參數(shù)的測(cè)試過(guò)程

1.MOS管開(kāi)啟電壓uT測(cè)試

電路不通電，將萬(wàn)用表置直流mA檔并串接在漏極電流測(cè)試口，同時(shí)將萬(wàn)用表值直流電壓擋并接在直流電壓測(cè)試端，通過(guò)S3直流電壓測(cè)試轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到測(cè)UGS，測(cè)試前S2閉合保護(hù)有效。接通電路，S2斷開(kāi)則保護(hù)自動(dòng)解除，調(diào)節(jié)電位器W使電流表指示為零，緩緩調(diào)節(jié)W，當(dāng)ID讀數(shù)為10uA時(shí)，讀出萬(wàn)用表值直流電壓值，即為MOS管開(kāi)啟電壓uT，本例uT=1.5V。開(kāi)啟電壓為正，判斷其為N溝道。

表1　不同UGS時(shí)的漏極電流ID

2.MOS管低頻跨導(dǎo)（互導(dǎo)）gm測(cè)試

將萬(wàn)用表置直流mA檔并串接在漏極電流測(cè)試口，同時(shí)將萬(wàn)用表置直流電壓擋并接在直流電壓測(cè)試端，通過(guò)S3直流電壓測(cè)試轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到測(cè)UGS或UDS。接通電路，調(diào)節(jié)電源電壓使UDS分別為0、0.1、0.2、0.3、0.5、1、5、10、15V，調(diào)節(jié)電位器W改變UGS，對(duì)應(yīng)得到UGS為0、2.2、2.4、2.6、2.8V時(shí)的漏極電流ID，數(shù)據(jù)如表1所示。

3.直流輸入電阻RGS測(cè)試

將直流電流表置uA檔串接在IG測(cè)試口，短接漏極電流測(cè)試口，接通電路，調(diào)節(jié)W使讀出IG為0.0015uA，MOS管的直流輸入電變，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入恒流區(qū)。MOS管低頻跨導(dǎo)（互導(dǎo)）gm可由下式計(jì)算:阻

4.分壓式共源放大電路電壓放大倍數(shù)

5.分壓式共源放大電路電壓放大倍數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證步驟

調(diào)節(jié)W使被測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的直流工作點(diǎn)分別為即該管處于恒流放大區(qū)。

空載測(cè)量:S4置斷開(kāi)位置，在輸入端加入f= 1kHz，ui=20mVPP的正弦波信號(hào)，示波器并接在輸入輸出交流電壓測(cè)試轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1公共端2與地之間，撥動(dòng)S1使開(kāi)關(guān)2-3接通監(jiān)測(cè)輸入波形，再撥動(dòng)S1使開(kāi)關(guān)2-1接通監(jiān)測(cè)輸出波形，其uo=1950mVPP，且輸入輸出波形反相，故Au=uo/ui=-1950/20=-97.5，與理論值接近。

有載測(cè)量:S4置閉合位置，重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，監(jiān)測(cè)到uo=625mVPP，故Au=uo/ui=-625/20=-31.25，與理論值接近。

（五）測(cè)試保護(hù)效果

繼電器J控制的S2開(kāi)關(guān)和二極管雙重保護(hù)測(cè)試結(jié)果:經(jīng)多輪次、多組學(xué)生帶電連接電路、焊接電路、調(diào)試測(cè)試電路，MOS管完好無(wú)損，保護(hù)可靠。

（六）NMOSFET主要參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)與保護(hù)電路的通用性

該電路可以測(cè)試所有小功率管型的場(chǎng)效應(yīng)管，包括JFET和MOS管，電路穩(wěn)定，調(diào)試和測(cè)試方便，安全可靠。只需對(duì)電路做小的改動(dòng)，短接R2，就可以用來(lái)方便地測(cè)試晶體三極管的參數(shù)和放大性能，這時(shí)的IG測(cè)試口即為IB測(cè)試口，ID測(cè)試口即為IC測(cè)試口，UGS測(cè)試端即為UBE測(cè)試口，UDS測(cè)試口即為UCE測(cè)試口，通過(guò)測(cè)試可方便描繪出晶體三極管共射輸入、輸出特性曲線，并可測(cè)出晶體三極管共射電路的電壓放大倍數(shù)。

［1］崔玫.模擬電子技術(shù)與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］華成英.模擬電子技術(shù)基本教程［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［4］劉德進(jìn).MOS管實(shí)驗(yàn)教學(xué)電路的設(shè)計(jì)與仿真［J］.無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（6）:109-112.

（編輯:林鋼）

Design of MOS FET Circuit Testing Features and Parameters

（Wuxi Vocational Institute of Commerce，Wuxi 214153，China）

Field effect transistor（FET）is a semiconductor device that controls the output current by the input voltage.It is a voltage control device with very high input resistance，and the input end does not take the basic input current.As the metal oxide semiconductor field effect transistor（MOSFET）between the gate and the channel of the insulation layer is easy to be broken down by voltage.Particularly，when the voltage between gate and source is only tens of volts，it is extremely easy to cause the external electrostatic voltage between the gate source to break down.A more convenient and reliable MOSFET experiment teaching circuit is designed according to the MOSFET measuring and testing process to overcome the problem of easy damage in the experimental teaching and testing.

FET；MOS；test；parameter；protection

TN 386.1

A

1671-4806（2016）03-0086-04

2015-12-05

江蘇省應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)中高職銜接課程體系建設(shè)研究課題（2015SKT001）

曹鐘林（1959—），男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閼?yīng)用電子技術(shù)教育。