N溝道耗盡型場效應(yīng)管的特性曲線測定

1、專業(yè)班級1班指導(dǎo)教師姓名實驗時間2014年6月18日實驗地點實驗三：N溝道耗盡型場效應(yīng)管的特性曲線測定實驗預(yù)習(xí)報告實驗?zāi)康模?、熟悉YB4810型圖示儀的面板裝置及其操作方法2、掌握功率場效應(yīng)管的工作原理3、理解N型溝道耗盡型場效應(yīng)管的輸入、輸出特性曲線4、了解功率場效應(yīng)管的主要參數(shù)。實驗儀器：YB4810型晶體管特性圖示儀；N型溝道場效應(yīng)管3DJ7G,；P型溝道場效應(yīng)管2SJ325實驗原理：功率場效應(yīng)管(PowerMOSFET)也叫電力場效應(yīng)晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點。由于其易于驅(qū)動和開關(guān)頻率可高達(dá)500

2、kHz,特別適于高頻化電力電子裝置，如應(yīng)用于DC/DC變換、開關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備、航空航天以及汽車等電子電器設(shè)備中。但因為其電流、熱容量小，耐壓低，一般只適用于小功率電力電子裝置。1、功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理功率場效應(yīng)晶體管種類和結(jié)構(gòu)有許多種，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中，主要應(yīng)用N溝道增強型。功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，橫向?qū)щ?。電力場效?yīng)晶體管大多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的不同，又可分為

3、2種：V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET。電力場效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu)，一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應(yīng)晶體管一個單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號，如圖1(b)所示。刈部站構(gòu)剖初扇意閨逋囲Power就O6FET的結(jié)構(gòu)和電汽笹號功率場效應(yīng)晶體管有3個端子：漏極D、源極S和柵極G。當(dāng)漏極接電源正，源極接電源負(fù)時，柵極和源極之間電壓為0溝道不導(dǎo)電，管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS，并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT,則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越強，漏極電流越大。2、功率場

4、效應(yīng)管的靜態(tài)特性和主要參數(shù)PowerMOSFET靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，與靜態(tài)特性對應(yīng)的主要參數(shù)有漏極擊穿電壓、漏極額定電壓、漏極額定電流和柵極開啟電壓等。(1)靜態(tài)特性(a)輸出特性輸出特性即是漏極的伏安特性。特性曲線，如圖2(b)所示。由圖所見，輸出特性分為截止、飽和與非飽和3個區(qū)域。這里飽和、非飽和的概念與GTR不同。飽和是指漏極電流ID不隨漏源電壓UDS的增加而增加，也就是基本保持不變；非飽和是指地UCS一定時，ID隨UDS增加呈線性關(guān)系變化。(a)轉(zhuǎn)移特性曲線5U40啊和區(qū)L=7V10/M3040/50V)幽止區(qū)(b)輸出將性曲純MOSFET靜態(tài)特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特

5、性表示漏極電流ID與柵源之間電壓UGS的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線，如圖2(a)所示。轉(zhuǎn)移特性可表示出器件的放大能力，并且是與GTR中的電流增益0相似。由于PowerMOSFET是壓控器件，因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示?？鐚?dǎo)定義為=/i/AUgs(1)圖中UT為開啟電壓，只有當(dāng)UGS=UT時才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流ID。(2)主要參數(shù)漏極擊穿電壓BUDBUD是不使器件擊穿的極限參數(shù)，它大于漏極電壓額定值。BUD隨結(jié)溫的升高而升高，這點正好與GTR和GTO相反。漏極額定電壓UDUD是器件的標(biāo)稱額定值。漏極電流ID和IDMID是漏極直流電流的額定參數(shù)；IDM是漏極脈沖電流幅值。柵極開啟電壓UTUT又稱閥值

6、電壓，是開通PowerMOSFET的柵-源電壓，它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線與橫軸的交點。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件?？鐚?dǎo)gmgm是表征PowerMOSFET柵極控制能力的參數(shù)。3、電力場效應(yīng)管的動態(tài)特性和主要參數(shù)(1)動態(tài)特性動態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的時間關(guān)系，它影響器件的開關(guān)過程。由于該器件為單極型，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此開關(guān)速度快、時間短，一般在納秒數(shù)量級。PowerMOSFET的動態(tài)特性。如圖3所示。(b)開黃過理液璉圖3BjwetMOSFIsf的動態(tài)特性PowerMOSFET的動態(tài)特性用圖3(a)電路測試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號源；RS為信號源內(nèi)阻；RG為柵極電

7、阻；RL為漏極負(fù)載電阻；RF用以檢測漏極電流。PowerMOSFET的開關(guān)過程波形，如圖3(b)所示。PowerMOSFET的開通過程：由于PowerMOSFET有輸入電容，因此當(dāng)脈沖電壓up的上升沿到來時，輸入電容有一個充電過程，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升。當(dāng)uGS上升到開啟電壓UT時，開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流iD。從up前沿時刻到uGS=UT，且開始出現(xiàn)iD的時刻，這段時間稱為開通延時時間td(on)。此后，iD隨uGS的上升而上升，uGS從開啟電壓UT上升到PowerMOSFET臨近飽和區(qū)的柵極電壓uGSP這段時間，稱為上升時間tr。這樣PowerMOSFET的開通時間t=ton

8、d(on)+tr(2)PowerMOSFET的關(guān)斷過程：當(dāng)up信號電壓下降到0時，柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻RS和RG放電，使柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到uGSP繼續(xù)下降，iD才開始減小，這段時間稱為關(guān)斷延時時間td(off)。此后，輸入電容繼續(xù)放電，uGS繼續(xù)下降，iD也繼續(xù)下降，到uGSSPANT時導(dǎo)電溝道消失，iD=0,這段時間稱為下降時間tf。這樣PowerMOSFET的關(guān)斷時間toff=td(off)+tf定的情況下,從上述分析可知，要提高器件的開關(guān)速度，則必須減小開關(guān)時間。在輸入電容低驅(qū)動電路的內(nèi)阻RS來加快開關(guān)速度。電力場效應(yīng)管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時幾乎不輸入電流。

9、但在開關(guān)過程中，需要對輸入電容進(jìn)行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動功率。工作速度越快，需要的驅(qū)動功率越大。(2)動態(tài)參數(shù)極間電容PowerMOSFET的3個極之間分別存在極間電容CGS,CGD,CDS。通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極斷路時的輸入電容CiSS、共源極輸出電容CoSS、反向轉(zhuǎn)移電容CrSS。它們之間的關(guān)系為TOC o 1-5 h zC=C+C(4)iSSGSGDC=C+C(5)oSSGDDSC=C(6)rSSGD漏源電壓上升率器件的動態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制，過高的du/dt可能導(dǎo)致電路性能變差，甚至引起器件損壞。4、功率場效應(yīng)管的安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)，如圖4

10、所示。它是由最大漏源電壓極限線I、最大漏極電流極限線II、漏源通態(tài)電阻線III和最大功耗限制線W,4條邊界極限所包圍的區(qū)域。圖中示出了4種情況：直流DC，脈寬10ms,1ms,10MSo它與GTR安全工作區(qū)比有2個明顯的區(qū)別：因無二次擊穿問題，所以不存在二次擊穿功率PSB限制線；因為它通態(tài)電阻較大，導(dǎo)通功耗也較大，所以不僅受最大漏極電流的限制，而且還受通態(tài)電阻的限制。開關(guān)安全工作區(qū)開關(guān)安全工作區(qū)為器件工作的極限范圍，如圖5所示。它是由最大峰值電流IDM、最小漏極擊穿電壓BUDS和最大結(jié)溫TJM決定的，超出該區(qū)域，器件將損壞。轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)因功率場效應(yīng)管工作頻率高，經(jīng)常處于轉(zhuǎn)換過程中，而器件中又

11、存在寄生等效二極管，它影響到管子的轉(zhuǎn)換問題。為限制寄生二極管的反向恢復(fù)電荷的數(shù)值，有時還需定義轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)。閣I電力場磧應(yīng)皙正向側(cè)置的安全工作罠02&)400用總電力場贈應(yīng)Tf的開關(guān)安全工柞區(qū)實驗內(nèi)容:1、檢查電壓，工作電壓范圍參考下表。額定電壓工作電壓范圍220V交流（198242V）2、確保保險絲使用的指定型號：1A3、啟動YB4810晶體管圖示儀（1）開啟電源，預(yù)熱5分鐘，調(diào)節(jié)儀器“輝度”、“聚焦”、“輔助聚焦”等旋紐使熒光屏上的線條明亮清晰（2）調(diào)零：未測試前，應(yīng)首先調(diào)整階梯信號起始級零電位的位置。在“掃描開關(guān)”和“級/簇”調(diào)零的情況下,將VC開關(guān)置于Vbe檔，階梯開關(guān)置于V檔，調(diào)節(jié)

12、階梯調(diào)零電位器，使在按動“階梯極性”的過程中，屏幕上光點在X軸方向不隨之跳動為止。4、測試N型溝道耗盡型場效應(yīng)管3DJ7G的輸入輸出特性曲線和特性參數(shù)。將三極管測試座接入圖示儀，將光點移至熒光屏的左下角作坐標(biāo)零點，并做如下旋鈕設(shè)置。峰值電壓范圍0-20V極性正（+）功耗電阻1kQX軸集電極電壓1V/度（實際為VCB）Y軸集電極電流0.5mA/度(IC)階梯選擇5mA/度階梯信號：重復(fù)；極性：一階梯電壓：0.2V/級（VGS）GS峰值電壓調(diào)大至合適位置。（1）根據(jù)顯示出的圖形繪制出三極管輸出特性曲線id-vds，標(biāo)明橫縱坐標(biāo)值；并分別標(biāo)出放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。（2）讀出X軸集電極電壓V

13、CE=3V時最上面一條曲線（每條曲線為5yA,最下面一條IB=0不計在內(nèi)）IB值和Y軸IC值，求出0的值。（直流放大系數(shù)）-I0=CB根據(jù)曲線水平和垂直坐標(biāo)的刻度，從曲線上讀取數(shù)據(jù)。為了減少測試誤差，同一個數(shù)據(jù)要多讀幾次，上值。（3）選擇一對曲線，如第4、第6條兩條，讀出對應(yīng)第4條曲線中的IC1,IB1和第6條曲線中的IC2,IB2o卜I=I卜L=LL,0=c右（交流放大系數(shù)）B5、測試P型溝道場效應(yīng)管2SJ325的輸入輸出特性曲線和特性參數(shù)。將三極管測試座接入圖示儀，將光點移至熒光屏的左下角作坐標(biāo)零點，并做如下旋鈕設(shè)置。圖p型溝道場效應(yīng)管的連接方法峰值電壓范圍0-50V極性正（+）功耗電阻1

14、kQX軸集電極電壓1V/度（實際為VCB）Y軸集電極電流0.5mA/度(IC)階梯選擇10mA/度階梯信號：重復(fù)；極性：一階梯電壓：0.2V/級（VGS）GS峰值電壓調(diào)大至合適位置。（1）根據(jù)顯示出的圖形繪制出三極管輸出特性曲線ID-VDS，標(biāo)明橫縱坐標(biāo)值；（2）比較P型溝道和N型溝道場效應(yīng)管的輸出特性曲線。思考題：1、N溝道和P溝道MOS場效應(yīng)晶體管有什么不同？概述其基本工作原理。答：區(qū)別是它們的導(dǎo)電溝道區(qū)是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，以及加在柵極和源極之間的控制電壓是正電壓。N溝道增強型MOS管在vGSVVT時，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS三時，才有溝道形成，此時在漏源極間加上正向電壓vDS,才有漏極電流產(chǎn)生。而且vGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。這種必須在vGS三VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。2、MOS場效應(yīng)管的輸出特性曲線可分為幾個區(qū)？每個區(qū)所對應(yīng)的工作狀態(tài)是什么？答：輸出特性曲線也可分為4個區(qū)，對應(yīng)的工作狀態(tài)是可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。3、MOS場效應(yīng)管跨導(dǎo)的物理意義是什么？答：MOS場效應(yīng)管跨導(dǎo)的物理意義是反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，表征MOS管放大能力的一個重要參數(shù)，4、晶體管特性圖示儀屬哪類測試儀器？答：晶體管特性圖示儀是一種專用示波器，它能直接觀察各種晶體管特性曲線及曲性簇