N溝道耗盡型場效應管的特性曲線測定

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

2、kHz,特別適于高頻化電力電子裝置，如應用于DC/DC變換、開關電源、便攜式電子設備、航空航天以及汽車等電子電器設備中。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、功率場效應管的結構和工作原理功率場效應晶體管種類和結構有許多種，按導電溝道可分為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，主要應用N溝道增強型。功率場效應晶體管導電機理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結構有很大區(qū)別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件，導電溝道平行于芯片表面，橫向導電。電力場效應晶體管大多采用垂直導電結構，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導電結構的不同，又可分為

3、2種：V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET。電力場效應晶體管采用多單元集成結構，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。刈部站構剖初扇意閨逋囲Power就O6FET的結構和電汽笹號功率場效應晶體管有3個端子：漏極D、源極S和柵極G。當漏極接電源正，源極接電源負時，柵極和源極之間電壓為0溝道不導電，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，導電能力越強，漏極電流越大。2、功率場

4、效應管的靜態(tài)特性和主要參數PowerMOSFET靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉移特性，與靜態(tài)特性對應的主要參數有漏極擊穿電壓、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增加呈線性關系變化。(a)轉移特性曲線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)轉移特性轉移特

5、性表示漏極電流ID與柵源之間電壓UGS的轉移特性關系曲線，如圖2(a)所示。轉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，因此用跨導這一參數來表示?？鐚Фx為=/i/AUgs(1)圖中UT為開啟電壓，只有當UGS=UT時才會出現導電溝道，產生漏極電流ID。(2)主要參數漏極擊穿電壓BUDBUD是不使器件擊穿的極限參數，它大于漏極電壓額定值。BUD隨結溫的升高而升高，這點正好與GTR和GTO相反。漏極額定電壓UDUD是器件的標稱額定值。漏極電流ID和IDMID是漏極直流電流的額定參數；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mgm是表征PowerMOSFET柵極控制能力的參數。3、電力場效應管的動態(tài)特性和主要參數(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系，它影響器件的開關過程。由于該器件為單極型，靠多數載流子導電，因此開關速度快、時間短，一般在納秒數量級。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為信號源內阻；RG為柵極電

7、阻；RL為漏極負載電阻；RF用以檢測漏極電流。PowerMOSFET的開關過程波形，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按指數曲線上升。當uGS上升到開啟電壓UT時，開始形成導電溝道并出現漏極電流iD。從up前沿時刻到uGS=UT，且開始出現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的關斷過程：當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，使柵極電壓按指數曲線下降，當下降到uGSP繼續(xù)下降，iD才開始減小，這段時間稱為關斷延時時間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時導電溝道消失，iD=0,這段時間稱為下降時間tf。這樣PowerMOSFET的關斷時間toff=td(off)+tf定的情況下,從上述分析可知，要提高器件的開關速度，則必須減小開關時間。在輸入電容低驅動電路的內阻RS來加快開關速度。電力場效應管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時幾乎不輸入電流。

9、但在開關過程中，需要對輸入電容進行充放電，故仍需要一定的驅動功率。工作速度越快，需要的驅動功率越大。(2)動態(tài)參數極間電容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、反向轉移電容CrSS。它們之間的關系為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可能導致電路性能變差，甚至引起器件損壞。4、功率場效應管的安全工作區(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。開關安全工作區(qū)開關安全工作區(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和最大結溫TJM決定的，超出該區(qū)域，器件將損壞。轉換安全工作區(qū)因功率場效應管工作頻率高，經常處于轉換過程中，而器件中又

11、存在寄生等效二極管，它影響到管子的轉換問題。為限制寄生二極管的反向恢復電荷的數值，有時還需定義轉換安全工作區(qū)。閣I電力場磧應皙正向側置的安全工作罠02&)400用總電力場贈應Tf的開關安全工柞區(qū)實驗內容: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，預熱5分鐘，調節(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）調零：未測試前，應首先調整階梯信號起始級零電位的位置。在“掃描開關”和“級/簇”調零的情況下,將VC開關置于Vbe檔，階梯開關置于V檔，調節(jié)

12、階梯調零電位器，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管3DJ7G的輸入輸出特性曲線和特性參數。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零點，并做如下旋鈕設置。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；極性：一階梯電壓：0.2V/級（VGS）GS峰值電壓調大至合適位置。（1）根據顯示出的圖形繪制出三極管輸出特性曲線id-vds，標明橫縱坐標值；并分別標出放大區(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）IB值和Y軸IC值，求出0的值。（直流放大系數）-I0=CB根據曲線水平和垂直坐標的刻度，從曲線上讀取數據。為了減少測試誤差，同一個數據要多讀幾次，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）B5、測試P型溝道場效應管2SJ325的輸入輸出特性曲線和特性參數。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零點，并做如下旋鈕設置。圖p型溝道場效應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；極性：一階梯電壓：0.2V/級（VGS）GS峰值電壓調大至合適位置。（1）根據顯示出的圖形繪制出三極管輸出特性曲線ID-VDS，標明橫縱坐標值；（2）比較P型溝道和N型溝道場效應管的輸出特性曲線。思考題：1、N溝道和P溝道MOS場效應晶體管有什么不同？概述其基本工作原理。答：區(qū)別是它們的導電溝道區(qū)是P型半導體還是N型半導體，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，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態(tài)。只有當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時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。2、MOS場效應管的輸出特性曲線可分為幾個區(qū)？每個區(qū)所對應的工作狀態(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場效應管跨導的物理意義是什么？答：MOS場效應管跨導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，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