教學(xué)用原理演示型場效應(yīng)管測量儀構(gòu)想與實踐*

馮伯翰

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512126）

場效應(yīng)管主要有兩種類型：結(jié)型場效應(yīng)管（簡稱JFET）和金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOS-FET）。場效應(yīng)管屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點。場效應(yīng)管屬于負(fù)溫度系數(shù)器件，隨溫度上升電流減小，與晶體三極管的正溫度系數(shù)特性剛好相反。

0 引言

場效應(yīng)管主要有結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管兩大類，根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同，結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管還有P溝道和N溝道結(jié)構(gòu)的區(qū)分，此外絕緣柵型場效應(yīng)管按工作性質(zhì)區(qū)分為增強型和耗盡型。

（1）結(jié)型場效應(yīng)管

結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理是“柵極與溝道間的PN結(jié)形成反偏的柵極電壓控制漏極-源極間流經(jīng)溝道的電流ID”。更確切地說，ID流經(jīng)通路的寬度，即溝道截面積是由PN結(jié)反偏電壓的變化，產(chǎn)生耗盡層擴(kuò)展變化控制的緣故。如圖1所示。

（2）絕緣柵型場效應(yīng)管

絕緣柵場效應(yīng)管的工作方式有兩種：當(dāng)柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗盡型；另一種是當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加上一定的柵極電壓之后才有漏極電流的稱為增強型。當(dāng)柵極電壓小于開啟電壓時，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)，只有柵極電壓大于開啟電壓時，才有導(dǎo)電溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓便有漏極電流產(chǎn)生。而且柵極電壓增大時，導(dǎo)電溝道增大，溝道電阻減小，漏極電流增大，這是絕緣柵型場效應(yīng)管的柵極電壓控制漏極電流的作用[1-2]。

（3）部分場效應(yīng)管封裝和管腳的排列

國產(chǎn)的型號命名方法與晶體三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(yīng)管。例如，3DJ6是結(jié)型N溝道場效應(yīng)三極管，3DO6是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)管。如圖2所示。

圖2 絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖

1 場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

由于場效應(yīng)管的類型、導(dǎo)電溝道的不同，以及增強型和耗盡型的區(qū)別，共有6種轉(zhuǎn)移特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同[3]。如圖3所示。

2 場效應(yīng)管設(shè)計構(gòu)想[4-5]

方案一：采用CD4053芯片作為電子開關(guān)控制。CD4053內(nèi)部含有3組單刀雙擲開關(guān)，3組開關(guān)具體接通哪一通道，由輸入地址碼ABC來決定。S2為管型設(shè)定：分別有結(jié)型N溝道、結(jié)型P溝道、絕緣柵N溝道和絕緣柵P溝道4檔選擇。S1與RP一起構(gòu)成柵極電壓調(diào)節(jié)。測量結(jié)型管時把S1與RP置0檔，電流表的讀數(shù)為漏極飽和電流IDSS，然后調(diào)節(jié)S1為第10檔，通過調(diào)節(jié)RP（柵極電壓）使漏極電流為零，此時電壓表的電壓為夾斷電壓VP；調(diào)節(jié)RP使柵極電壓為整數(shù)電壓值，逐級調(diào)節(jié)S1得到10級漏極電流，取中間的一段柵極電壓的變量ΔUGS所對應(yīng)的漏極電流的變量ΔID，即可計算出跨導(dǎo)gm。測量絕緣柵型管時把S1置第1檔，調(diào)節(jié)RP使電流表的讀數(shù)為0.1 mA，此時的柵極電壓為閾值電壓Vth，逐級調(diào)節(jié)S1得到10級漏極電流，取中間的一段柵極電壓的變量ΔUGS所對應(yīng)的漏極電流的變量ΔID即可計算出跨導(dǎo)gm。當(dāng)漏源電流IDS為1 A時，用萬用表測量漏源電壓，即可計算出導(dǎo)通電阻Ron[4]。如圖4所示。

圖3 場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

方案二：采用用手動撥動開關(guān)實現(xiàn)切換功能。電路圖設(shè)計如圖5所示。

圖4 方案一

方案三：采用555芯片、CD4040芯片及CD4053芯片實現(xiàn)S2為每級電壓選擇開關(guān)，第一檔：0.1 V/級，共63級；第二檔：0.2 V/級，共63級；第3檔：0.5 V/級，共31級。 S3為被測管類型，選擇：1）結(jié)型N溝道；2）結(jié)型P溝道；3）絕緣柵N溝道；4）絕緣柵P溝道。W1～W3為每級電壓調(diào)整電位器。SP1為操作按鈕，每按動一下柵級電壓上升一級。SP2為清零按鈕，按下清零柵極電壓為0 V。U2還可考慮改為加減計數(shù)器，如可預(yù)置4位二進(jìn)制可逆計數(shù)器CD40193。

電路圖設(shè)計如圖6所示。

3 場效應(yīng)管測量儀技術(shù)性能及使用方法測量

圖6 方案三

根據(jù)場效應(yīng)管的特點，設(shè)計了場效應(yīng)管應(yīng)用參數(shù)測量電路，該儀器不僅可用于測量各種場效應(yīng)管的應(yīng)用參數(shù)，還可采用逐點測法繪制出被測管的轉(zhuǎn)移特性曲線，能很好地應(yīng)用于教學(xué)中。該儀器有針對性引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)理論并實驗驗證和自主探究，目的在于探索一種引導(dǎo)、參與、實踐的教學(xué)模式

3.1 主要技術(shù)性能

（1）可用于測量結(jié)型場效應(yīng)管的飽和漏-源電流IDSS；夾斷電壓UP和跨導(dǎo)gm。絕緣柵場效應(yīng)管的開啟電壓（閾值電壓）Vth；導(dǎo)通電阻Rdss（on）和跨導(dǎo)gm。

（2）采用逐點測量法繪制被測場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。

（3）柵極調(diào)節(jié)范圍：0～10 V連續(xù)可調(diào)、11級步進(jìn)式開關(guān)調(diào)節(jié)，每一級電壓可設(shè)置為0～1 V，每級的誤差≤1%。

（4）漏極電源的電壓可在5～15 V連續(xù)可調(diào)，電流≥1 A。

（5）跨導(dǎo)測試電流不小于1 A，連續(xù)可調(diào)。

3.2 控制部件說明

儀器面板如圖7所示，分別設(shè)有：（1） 漏極電流檢測電流表，電流表可通過量程開關(guān)S4切換20 mA檔(主要用于測量結(jié)型場效應(yīng)管)和2 000 mA檔(主要用于測量絕緣柵場效應(yīng)管)；（2）電壓表的量程為20 V、能顯示電壓的極性，可通過開關(guān)S3切換顯示柵-源極電壓或漏-源極電壓值；（3）被測管插座左邊適用于插入TO220等封裝的中功率MOS管，中間插座適用于插入TO92封裝的JFET管和DIP-4封裝的MOS管，右邊適用于插入大功率MOS管。

圖7 儀器面板

面板的下方為被測管管型切換開關(guān)S2，漏極電壓可調(diào)電位器RP2，以及柵極電壓調(diào)節(jié)電位器RP1和步進(jìn)式調(diào)節(jié)開關(guān)S1。

（1）被測管管型設(shè)定切換開關(guān)S2分別有：絕緣柵P溝道MOS-P（VD：－，VG：－）；絕緣柵N溝道MOS-N（VD：＋，VG：＋）；結(jié)型P溝道JFET-P（VD：－，VG：＋）；結(jié)型N溝道JFET-N（VD：＋，VG：－）共4檔選擇。在沒有插入待測管時，可把S3置VDS/VGS進(jìn)行確認(rèn)。

（2）漏極電壓調(diào)節(jié)旋鈕RP2，測試前可將開關(guān)S3撥至VDS，然后轉(zhuǎn)動該旋鈕，在沒有插入待測管時，通過電壓表進(jìn)行確認(rèn)漏極電壓調(diào)節(jié)范圍為5～15 V。

漏極電壓調(diào)節(jié)旋鈕RP2在測量絕緣柵場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻Rdss(on)時，可用于調(diào)節(jié)(控制)被測管的漏極電流。

（3）RP1與S1一起構(gòu)成柵極電壓調(diào)節(jié)，RP1可使柵極電壓從0～10 V連續(xù)調(diào)節(jié)后輸出，再經(jīng)11檔旋轉(zhuǎn)開關(guān)S1進(jìn)行步進(jìn)式調(diào)節(jié)，得到×0、×0.1、×0.2～×1共11檔、每級電壓變化的量值相等的柵極電壓。如圖7所示。

3.3 結(jié)型場效應(yīng)管的測量

結(jié)型場效應(yīng)管的主要應(yīng)用參數(shù)有“漏-源飽和電流”、“夾斷電壓”和“跨導(dǎo)”測量前需確認(rèn)被測管的結(jié)構(gòu)是P溝道還是N溝道管，把管型設(shè)定切換開關(guān)S2設(shè)置為JFET-P或JFET-N擋位，把電流表量程開關(guān)S4撥至20 mA檔，正確地把被測管的引腳插入測量插座中，然后按以下步驟進(jìn)行測量。

（1）確定“漏-源飽和電流”：把S1開關(guān)S1置0檔，開關(guān)S3置VG位置，讀得電壓表的讀數(shù)VG＝0 V表示被測管子的柵極電壓VG為0 V，此時電流表顯示的被測管的漏極電流ID即為被測管的漏-源飽和電流IDSS；記錄下漏-源飽和電流IDSS（mA）。

（2）確定“夾斷電壓”：旋動開關(guān)S1到第10檔，然后調(diào)節(jié)電位器RP1使電流表的讀數(shù)為0.01 mA，可認(rèn)為此時被測管的漏極電流剛剛為零，讀出電壓表的讀數(shù)則為被測管的夾斷電壓VP，記錄夾斷電壓VP（V）。

（3）測定柵極電壓與漏極電流曲線的相關(guān)值：在已知的夾斷電壓值范圍內(nèi)，均勻地測量出10個柵極電壓與漏極電流對應(yīng)的測量結(jié)果并做好記錄。

（4）繪制轉(zhuǎn)移特性曲線。

（5）計算出跨導(dǎo)gm。

（6）被測管的應(yīng)用參數(shù)IDSS、夾斷電壓UP、跨導(dǎo)。

3.4 絕緣柵型管的測量

絕緣柵場效應(yīng)管的主要應(yīng)用參數(shù)有“閾值電壓Vth”或者叫“開啟電壓VT”、“導(dǎo)通電阻Rdss(on)”和“跨導(dǎo)”測量前需確認(rèn)被測管的結(jié)構(gòu)是P溝道還是N溝道管，把電流表量程開關(guān)S4撥至2 000 mA檔，絕緣柵型場效應(yīng)管多為功率管，漏-源電流比較大，因此設(shè)置漏極電流表為2 000 mA量程，漏極電壓調(diào)節(jié)旋鈕RP2逆時針旋轉(zhuǎn)到底，開關(guān)S3置VD位置讀得電壓表的讀數(shù)VD＝5 V。

以測量N溝道絕緣柵管K214為例，把管型設(shè)定切換開關(guān)S2設(shè)置為MOS-N擋位，正確地把被測管的引腳插入測量插座中，然后按以下步驟進(jìn)行測量。

（1）確定開啟電壓（VT）：開關(guān)S3置VG位置，使電壓表顯示被測管子的柵極電壓VG，把S1開關(guān)S1置10檔，然后調(diào)節(jié)電位器RP1旋鈕使電流表的讀數(shù)為1 mA，可認(rèn)為此時被測管的漏極剛剛出現(xiàn)有電流，讀出此時電壓表的讀數(shù)則為被測管的閾值電壓Vth或者開啟電壓VT。

（2）測定柵極電壓與漏極電流表示曲線的相關(guān)值：繼續(xù)調(diào)節(jié)RP1使被測管的柵極電壓(VG)變化，讀取電流表的漏極電流值，按下表的電流值變化，讀取對應(yīng)電壓表對應(yīng)顯示的電壓值，并做好記錄。如表1所示。

表1 柵極電壓與漏極電流相關(guān)值

（3） 繪制轉(zhuǎn)移特性曲線：由于柵極電壓UG為正值，即橫（X）軸方向為向右，漏極電流為縱（Y）軸向上方向，特性曲線繪畫于第1象限。

繪畫水平直線作橫坐標(biāo)，在右端繪畫向右的箭頭；并標(biāo)示VGS表示柵極電壓，單位是V。把0～200 mA對應(yīng)的柵極電壓分成10段，每均等段作出刻度，分別標(biāo)示遞增值。

繪畫垂直直線為縱坐標(biāo)，并且分成20 mA等值的若干段刻度，分別標(biāo)示20 mA的遞增值，并標(biāo)示ID(mA)表示漏極電流，單位是mA。

把表中各個柵極電壓VGS對應(yīng)漏極電流的交點用小點標(biāo)出，把所有小點用線段連在一起，便構(gòu)成該被測管的轉(zhuǎn)移特性曲線。

（4）計算出跨導(dǎo)gm：取曲線中間的一段（相對平直）的曲線，對應(yīng)柵極電壓的變量ΔUGS和漏極電流的變量ΔID，即可計算出跨導(dǎo)gm。

（5）確定導(dǎo)通電阻Rdss(on)：調(diào)節(jié)S1和RP1使柵極電壓為10 V，然后把S3撥至VDS檔位，此時電壓表顯示漏-源極之間的電壓值，再把漏極電壓調(diào)節(jié)旋鈕RP2順時針慢慢旋轉(zhuǎn)，并注意觀察電流表和電壓表的讀數(shù)，記錄下當(dāng)電流表讀數(shù)為1 A時的電壓表（漏-源極電壓值）讀數(shù)，該讀數(shù)即為被測管的導(dǎo)通電阻，單位為Ω，記錄導(dǎo)通電阻。

需要注意測量導(dǎo)通電阻時，被測管的電流較大（1 A）如果被測管的通態(tài)電阻較大（≥1 Ω）時，被測管的功耗較大而導(dǎo)致發(fā)熱，因此測量動作要盡量快，或者在電流表讀數(shù)為500 mA時，讀取電壓表（漏-源極電壓值）讀數(shù)，該讀數(shù)×2（÷0.5）即為被測管的導(dǎo)通電阻，單位仍為Ω，一般情況下測量結(jié)果相差不大。

4 結(jié)束語

本原理性測量儀做到理論教學(xué)與實驗相結(jié)合，能引導(dǎo)學(xué)生針對相關(guān)理論進(jìn)行實驗驗證和展開自主探究，這是很值得采用的一種模式。樣機(jī)測試符合教學(xué)要求，獲得了師生們的好評。