耗尽

半导体物理与器件实验报告

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

500kHz，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。

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。

（b）转移特性

转移特性表示漏极电流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β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

（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

（a）漏极击穿电压BUD

BUD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。

（b）漏极额定电压UD

UD是器件的标称额定值。

（c）漏极电流ID和IDM

ID是漏极直流电流的额定参数；IDM是漏极脉冲电流幅值。

（d）栅极开启电压UT

UT又称阀值电压，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。

（e）跨导gm

gm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。

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

on

=t

d(on)

+t

r

(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uGST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

t

off

=t

d(off)

+t

f

(3)

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。在输入电容一定的情况下，可以通过降

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。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

（a）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

C

iSS

=C

GS

+C

GD

(4)

C

oSS

=C

GD

+C

DS

(5)

C

rSS

=C

GD

(6)

（b）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

(1)正向偏置安全工作区

正向偏置安全工作区，如图4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Ⅳ，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,10

μs。它与GTR安全工作区比有2个明显的区别：①因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率PSB限制线；

②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。

(2)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。

(3)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。

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（198~242V）

2、确保保险丝使用的指定型号：1A

3、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1kΩ

X轴集电极电压1V/度（实际为V

CB

）

Y轴集电极电流0.5mA/度（I

C

）

阶梯选择5μA/度

阶梯信号：重复；极性：－

阶梯电压：0.2V/级（V

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I

D

-V

DS

，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VCE=3V时最上面一条曲线（每条曲线为5μA，最下面一条IB=0不计在内）IB

值和Y轴IC值，求出的值。（直流放大系数）

B

C

I

I



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，取其平均

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I

C1

,I

B1

和第6条曲线中的I

C2

,I

B2

。



I

C

=I

C2

—I

C1



I

B

=I

B2

—I

B1

C

B

I

I









（交流放大系数）

5、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1kΩ

X轴集电极电压1V/度（实际为V

CB

）

Y轴集电极电流0.5mA/度（I

C

）

阶梯选择10μA/度

阶梯信号：重复；极性：－

阶梯电压：0.2V/级（V

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I

D

-V

DS

，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vGS

＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥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≥

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。

5、为什么晶体管特性图示仪能在不损坏器件的情况下，可测量极限参数，如击穿电压、饱和压降？

答：在对晶体管各项极限特性与击穿特性的观察中，采用了瞬时电压和瞬时电流，使被测晶体管不会因过

载而损坏。

实验数据：

教师评语：

1.实验预习：（认真、较认真、一般、较差、很差）；占30%

2.原始数据及实验结果：（准确合理、较准确、不合理）；占30%

3.实验所要求的误差分析或作图：（规范、中等、不规范）；占20%

4.报告排版整齐度：（很好、较好、中等、较差、很差）；占20%

评定等级：（）教师签名：日期：