N沟道耗尽型场效应管的特性曲线测定

1、专业班级1班指导教师姓名实验时间2014年6月18日实验地点实验三：N沟道耗尽型场效应管的特性曲线测定实验预习报告实验目的：1、熟悉YB4810型图示仪的面板装置及其操作方法2、掌握功率场效应管的工作原理3、理解N型沟道耗尽型场效应管的输入、输出特性曲线4、了解功率场效应管的主要参数。实验仪器：YB4810型晶体管特性图示仪；N型沟道场效应管3DJ7G,；P型沟道场效应管2SJ325实验原理：功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500

2、kHz,特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。1、功率场效应管的结构和工作原理功率场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。功率场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为

3、2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。刈部站构剖初扇意閨逋囲Power就O6FET的结构和电汽笹号功率场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT,则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。2、功率场

4、效应管的静态特性和主要参数PowerMOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。(1)静态特性(a)输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流ID不随漏源电压UDS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地UCS一定时，ID随UDS增加呈线性关系变化。(a)转移特性曲线5U40啊和区L=7V10/M3040/50V)幽止区(b)输出將性曲纯MOSFET静态特性曲线(b)转移特性转移特

5、性表示漏极电流ID与栅源之间电压UGS的转移特性关系曲线，如图2(a)所示。转移特性可表示出器件的放大能力，并且是与GTR中的电流增益0相似。由于PowerMOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为=/i/AUgs(1)图中UT为开启电压，只有当UGS=UT时才会出现导电沟道，产生漏极电流ID。(2)主要参数漏极击穿电压BUDBUD是不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额定值。BUD随结温的升高而升高，这点正好与GTR和GTO相反。漏极额定电压UDUD是器件的标称额定值。漏极电流ID和IDMID是漏极直流电流的额定参数；IDM是漏极脉冲电流幅值。栅极开启电压UTUT又称阀值

6、电压，是开通PowerMOSFET的栅-源电压，它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大，否则将击穿器件。跨导gmgm是表征PowerMOSFET栅极控制能力的参数。3、电力场效应管的动态特性和主要参数(1)动态特性动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系，它影响器件的开关过程。由于该器件为单极型，靠多数载流子导电，因此开关速度快、时间短，一般在纳秒数量级。PowerMOSFET的动态特性。如图3所示。(b)开黄过理液琏图3BjwetMOSFIsf的动态特性PowerMOSFET的动态特性用图3(a)电路测试。图中，up为矩形脉冲电压信号源；RS为信号源内阻；RG为栅极电

7、阻；RL为漏极负载电阻；RF用以检测漏极电流。PowerMOSFET的开关过程波形，如图3(b)所示。PowerMOSFET的开通过程：由于PowerMOSFET有输入电容，因此当脉冲电压up的上升沿到来时，输入电容有一个充电过程，栅极电压uGS按指数曲线上升。当uGS上升到开启电压UT时，开始形成导电沟道并出现漏极电流iD。从up前沿时刻到uGS=UT，且开始出现iD的时刻，这段时间称为开通延时时间td(on)。此后，iD随uGS的上升而上升，uGS从开启电压UT上升到PowerMOSFET临近饱和区的栅极电压uGSP这段时间，称为上升时间tr。这样PowerMOSFET的开通时间t=ton

8、d(on)+tr(2)PowerMOSFET的关断过程：当up信号电压下降到0时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻RS和RG放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到uGSP继续下降，iD才开始减小，这段时间称为关断延时时间td(off)。此后，输入电容继续放电，uGS继续下降，iD也继续下降，到uGSSPANT时导电沟道消失，iD=0,这段时间称为下降时间tf。这样PowerMOSFET的关断时间toff=td(off)+tf定的情况下,从上述分析可知，要提高器件的开关速度，则必须减小开关时间。在输入电容低驱动电路的内阻RS来加快开关速度。电力场效应管晶体管是压控器件，在静态时几乎不输入电流。

9、但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功率。工作速度越快，需要的驱动功率越大。(2)动态参数极间电容PowerMOSFET的3个极之间分别存在极间电容CGS,CGD,CDS。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容CiSS、共源极输出电容CoSS、反向转移电容CrSS。它们之间的关系为TOC o 1-5 h zC=C+C(4)iSSGSGDC=C+C(5)oSSGDDSC=C(6)rSSGD漏源电压上升率器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的du/dt可能导致电路性能变差，甚至引起器件损坏。4、功率场效应管的安全工作区正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区，如图4

10、所示。它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线II、漏源通态电阻线III和最大功耗限制线W,4条边界极限所包围的区域。图中示出了4种情况：直流DC，脉宽10ms,1ms,10MSo它与GTR安全工作区比有2个明显的区别：因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率PSB限制线；因为它通态电阻较大，导通功耗也较大，所以不仅受最大漏极电流的限制，而且还受通态电阻的限制。开关安全工作区开关安全工作区为器件工作的极限范围，如图5所示。它是由最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BUDS和最大结温TJM决定的，超出该区域，器件将损坏。转换安全工作区因功率场效应管工作频率高，经常处于转换过程中，而器件中又

11、存在寄生等效二极管，它影响到管子的转换问题。为限制寄生二极管的反向恢复电荷的数值，有时还需定义转换安全工作区。阁I电力场磧应皙正向侧置的安全工作罠02&)400用总电力场赠应Tf的开关安全工柞区实验内容:1、检查电压，工作电压范围参考下表。额定电压工作电压范围220V交流（198242V）2、确保保险丝使用的指定型号：1A3、启动YB4810晶体管图示仪（1）开启电源，预热5分钟，调节仪器“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”等旋纽使荧光屏上的线条明亮清晰（2）调零：未测试前，应首先调整阶梯信号起始级零电位的位置。在“扫描开关”和“级/簇”调零的情况下,将VC开关置于Vbe档，阶梯开关置于V档，调节

12、阶梯调零电位器，使在按动“阶梯极性”的过程中，屏幕上光点在X轴方向不随之跳动为止。4、测试N型沟道耗尽型场效应管3DJ7G的输入输出特性曲线和特性参数。将三极管测试座接入图示仪，将光点移至荧光屏的左下角作坐标零点，并做如下旋钮设置。峰值电压范围0-20V极性正（+）功耗电阻1kQX轴集电极电压1V/度（实际为VCB）Y轴集电极电流0.5mA/度(IC)阶梯选择5mA/度阶梯信号：重复；极性：一阶梯电压：0.2V/级（VGS）GS峰值电压调大至合适位置。（1）根据显示出的图形绘制出三极管输出特性曲线id-vds，标明横纵坐标值；并分别标出放大区、截止区、饱和区和击穿区。（2）读出X轴集电极电压V

13、CE=3V时最上面一条曲线（每条曲线为5yA,最下面一条IB=0不计在内）IB值和Y轴IC值，求出0的值。（直流放大系数）-I0=CB根据曲线水平和垂直坐标的刻度，从曲线上读取数据。为了减少测试误差，同一个数据要多读几次，上值。（3）选择一对曲线，如第4、第6条两条，读出对应第4条曲线中的IC1,IB1和第6条曲线中的IC2,IB2o卜I=I卜L=LL,0=c右（交流放大系数）B5、测试P型沟道场效应管2SJ325的输入输出特性曲线和特性参数。将三极管测试座接入图示仪，将光点移至荧光屏的左下角作坐标零点，并做如下旋钮设置。图p型沟道场效应管的连接方法峰值电压范围0-50V极性正（+）功耗电阻1

14、kQX轴集电极电压1V/度（实际为VCB）Y轴集电极电流0.5mA/度(IC)阶梯选择10mA/度阶梯信号：重复；极性：一阶梯电压：0.2V/级（VGS）GS峰值电压调大至合适位置。（1）根据显示出的图形绘制出三极管输出特性曲线ID-VDS，标明横纵坐标值；（2）比较P型沟道和N型沟道场效应管的输出特性曲线。思考题：1、N沟道和P沟道MOS场效应晶体管有什么不同？概述其基本工作原理。答：区别是它们的导电沟道区是P型半导体还是N型半导体，以及加在栅极和源极之间的控制电压是正电压。N沟道增强型MOS管在vGSVVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS三时，才有沟道形成，此时在漏源极间加上正向电压vDS,才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGS三VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。2、MOS场效应管的输出特性曲线可分为几个区？每个区所对应的工作状态是什么？答：输出特性曲线也可分为4个区，对应的工作状态是可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区。3、MOS场效应管跨导的物理意义是什么？答：MOS场效应管跨导的物理意义是反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，表征MOS管放大能力的一个重要参数，4、晶体管特性图示仪属哪类测试仪器？答：晶体管特性图示仪是一种专用示波器，它能直接观察各种晶体管特性曲线及曲性簇