曹鐘林

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　無錫　214153）

MOS場效應(yīng)管特性與參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

曹鐘林

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214153）

場效應(yīng)管（簡稱FET）是一種由輸入電壓來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)體場效應(yīng)管（簡稱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)測量、測試過程中容易損壞的問題，根據(jù)MOSFET工作特性及測試要求，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。

場效應(yīng)管；MOS；測試；參數(shù)；保護(hù)

一、場效應(yīng)管主要工作特性及一般測試

（一）場效應(yīng)管概述

場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的半導(dǎo)體器件，外形與封裝基本類同三極管。場效應(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，場效應(yīng)管施加不同的柵源電壓UGS和漏源UDS可以使場效應(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)，一般通過外部電路為場效應(yīng)管建立合適的工作偏置電壓，即給場效應(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（見圖1）是常見的方式。需要指出的是場效應(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）場效應(yīng)管的管型特征辨識(shí)

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

根據(jù)場效應(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）場效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)測試主要參數(shù)

1.開啟電壓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管稱為開啟電壓uT，對(duì)于耗盡型MOS管稱為夾斷電壓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，是表征場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)，單位為西門子（S），一般為幾～幾十毫西門子（mS）。gm的值與管子的工作點(diǎn)有關(guān)。

（四）場效應(yīng)管的一般測試

1.結(jié)型場效應(yīng)管S、G、D電極判別

將指針式萬用表放置在R×1k檔，任選兩個(gè)電極，分別測出其正、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JFET管放大能力

用指針式萬用表電阻的R×100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，給場效應(yīng)管加上1.5V的電源電壓（萬用表內(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)，說明管子是壞的。

此方法對(duì)MOS場效應(yīng)管也適用。但要注意，MOS場效應(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，否則可能無法再次進(jìn)行測量。對(duì)VMOSV溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管測量跨導(dǎo)性能時(shí)，將萬用表的歐姆擋選在R× 10kΩ的高阻檔即可。

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

（五）場效應(yīng)管的主要應(yīng)用

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

場效應(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場效應(yīng)管在實(shí)驗(yàn)教學(xué)測量、測試存在的問題

場效應(yīng)管 （簡稱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。但是場效應(yīng)管，特別是MOSFET場效應(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。場效應(yīng)管教學(xué)通常以結(jié)型場效應(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)場效應(yīng)管造成的擊穿損壞外（例如測試儀器、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)生誤操作造成的場效應(yīng)管損壞。

三、NMOSFET主要參數(shù)測試實(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開關(guān)對(duì)MOS場效應(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)測量時(shí)，繼電器J得電S2常閉觸頭斷開，解除G-S極間短接保護(hù)。測試過程中，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測試口，uA為電流IG測試口，S1為輸入與輸出交流信號(hào)電壓（交流毫伏表或示波器）測試轉(zhuǎn)換開關(guān)，由繼電器J控制的S2為測試前保護(hù)開關(guān)，S3為UGS與UDS直流電壓測試轉(zhuǎn)換開關(guān)，S4為空載與有載轉(zhuǎn)換開關(guān)，D1、D2為測試保護(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)的測試過程

1.MOS管開啟電壓uT測試

電路不通電，將萬用表置直流mA檔并串接在漏極電流測試口，同時(shí)將萬用表值直流電壓擋并接在直流電壓測試端，通過S3直流電壓測試轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到測UGS，測試前S2閉合保護(hù)有效。接通電路，S2斷開則保護(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)，讀出萬用表值直流電壓值，即為MOS管開啟電壓uT，本例uT=1.5V。開啟電壓為正，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測試

將萬用表置直流mA檔并串接在漏極電流測試口，同時(shí)將萬用表置直流電壓擋并接在直流電壓測試端，通過S3直流電壓測試轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到測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測試

將直流電流表置uA檔串接在IG測試口，短接漏極電流測試口，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使被測場效應(yīng)管的直流工作點(diǎn)分別為即該管處于恒流放大區(qū)。

空載測量:S4置斷開位置，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試轉(zhuǎn)換開關(guān)S1公共端2與地之間，撥動(dòng)S1使開關(guān)2-3接通監(jiān)測輸入波形，再撥動(dòng)S1使開關(guān)2-1接通監(jiān)測輸出波形，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。

有載測量:S4置閉合位置，重復(fù)上述測量過程，監(jiān)測到uo=625mVPP，故Au=uo/ui=-625/20=-31.25，與理論值接近。

（五）測試保護(hù)效果

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

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

該電路可以測試所有小功率管型的場效應(yīng)管，包括JFET和MOS管，電路穩(wěn)定，調(diào)試和測試方便，安全可靠。只需對(duì)電路做小的改動(dòng)，短接R2，就可以用來方便地測試晶體三極管的參數(shù)和放大性能，這時(shí)的IG測試口即為IB測試口，ID測試口即為IC測試口，UGS測試端即為UBE測試口，UDS測試口即為UCE測試口，通過測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。