MOS场效应管特性与参数测试实验电路设计

曹钟林

（无锡商业职业技术学院，江苏　无锡　214153）

MOS场效应管特性与参数测试实验电路设计

曹钟林

（无锡商业职业技术学院，江苏无锡214153）

场效应管（简称FET）是一种由输入电压来控制其输出电流大小的半导体器件，是电压控制器件，其输入电阻非常高，输入端基本不取电流。由于金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET）栅极和沟道之间的绝缘层易被电压击穿，特别是栅源之间的耐压只有几十伏，外部静电电压极易造成栅源极间击穿损坏。文章针对MOSFET在实验教学测量、测试过程中容易损坏的问题，根据MOSFET工作特性及测试要求，设计出较为便捷和安全可靠的MOSFET实验教学电路。

场效应管；MOS；测试；参数；保护

一、场效应管主要工作特性及一般测试

（一）场效应管概述

场效应管是一种电压控制电流的半导体器件，外形与封装基本类同三极管。场效应管有三个电极，分别为栅极（gate）G，源极（source）S和漏极（drain）D。概括地说，场效应管施加不同的栅源电压UGS和漏源UDS可以使场效应管工作在不同区域，即可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。如场效应管用于电压放大，管子工作应在恒流区，一般通过外部电路为场效应管建立合适的工作偏置电压，即给场效应管设置合适的静态偏置电压UGS和UDS，分压式偏置电路（见图1）是常见的方式。需要指出的是场效应管应避免工作在击穿区。

图1　N沟道增强型MOSFET共源放大电路

（二）场效应管的管型特征辨识

场效应管的管型有六种:N沟道结型场效应管 （符号见图2）、P沟道结型场效应管 （符号见图3）、N沟道增强型MOS场效应管（符号见图4）、P沟道增强型MOS场效应管（符号见图5）、N沟道耗尽型MOS场效应管 （符号见图6）、P沟道耗尽型场效应MOS管（符号见图7）。

根据场效应管符号的辨识管型方法:栅极和沟道之间有电接触为结型，栅极和沟道之间没有电接触则为MOS型。沟道为直线为耗尽型，虚线则为增强型；箭头指向沟道为N沟道，箭头背向沟道则为P沟道。

（三）场效应管实验测试主要参数

1.开启电压uT和夹断电压uP

uDS一定，漏极电流iD等于某一微小电流时，栅、源之间所加的电压uGS，对于增强型MOS管称为开启电压uT，对于耗尽型MOS管称为夹断电压uP。

2.饱和漏极电流IDSS

IDSS是耗尽型管子的参数，指工作在恒流区的耗尽型场效应管在uGS=0时的饱和漏极电流。

3.直流输入电阻RGS

图2　N沟道结型FET符号

图3　P沟道结型FET符号

图4　N沟道增强型MOSFET符号

图5　P沟道增强型MOSFET符号

图6　N沟道耗尽型MOSFET符号

图7　P沟道耗尽型MOSFET符号

RGS指漏、源极间短路时，栅、源之间所加直流电压与栅极直流电流之比。一般JFET的RGS＞105Ω，而MOS管的RGS＞109Ω。

4.低频跨导（互导）gm

当uDS为某定值时，漏极电流iD的变化量和引起它变化的uGS变化量之比，即gm反映了uGS对iD的控制能力，是表征场效应管放大能力的重要参数，单位为西门子（S），一般为几～几十毫西门子（mS）。gm的值与管子的工作点有关。

（四）场效应管的一般测试

1.结型场效应管S、G、D电极判别

将指针式万用表放置在R×1k档，任选两个电极，分别测出其正、反向电阻值。当某两个电极的正、反向电阻值相等，且为几千欧姆时，则该两个电极分别是漏极D和源极S。因为对结型场效应管而言，漏极和源极可互换，剩下的电极即为栅极G。

2.用感应信号法测JFET管放大能力

用指针式万用表电阻的R×100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，给场效应管加上1.5V的电源电压（万用表内部电池电压），此时表针指示出漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的栅极G，将人体的感应电压信号加到栅极上，由此观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明管的放大能力大；若表针不动，说明管子是坏的。

此方法对MOS场效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输入电阻高，栅极G允许的感应电压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须手握螺丝刀的绝缘柄，用金属杆去碰触栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极，引起栅源极间击穿损坏。每次测量完毕，G-S极间应当短路一下，释放掉G-S结电容上充有的少量电荷，否则可能无法再次进行测量。对VMOSV沟道增强型场效应管测量跨导性能时，将万用表的欧姆挡选在R× 10kΩ的高阻档即可。

需要指出，以上测试应小心谨慎测试，特别是MOS管的测试更甚。

（五）场效应管的主要应用

场效应管可应用于各种放大电路；场效应管非常适合作阻抗变换；场效应管可以用作可变电阻；场效应管可以方便地用作恒流源；场效应管可以用作电子开关等。

场效应管由于输入端基本不取电流，即输入电阻高，对于高内阻的信号源能有效进行放大。

二、MOS场效应管在实验教学测量、测试存在的问题

场效应管 （简称FET）作为一种电压控制器件，其输入端基本不取电流或电流极小，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单等特点，在大规模和超大规模集成电路中被广泛应用。但是场效应管，特别是MOSFET场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。因此产品出厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引线也应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。

目前国内高校，特别是高职院校在“模拟电子技术与实践”教学过程中，通常晶体三极管（BJT）讲得多，讲得透，又有相关验证性实验的配合，教学效果较好。场效应管教学通常以结型场效应管FET为例，进行讲解分析，并有相关的验证性实验配合，而对MOS管电路的分析比较肤浅，只是作一般讲述，很少有验证性实验配合，不作为重点讲解，其主要原因是MOS在实验中损坏较多，实验成本较高，严重制约了实验的顺利开展。但随着现代电子技术的飞速发展，MOS管的应用领域越来越广泛，应该得到应有的重视，对MOS管电路的分析并附有相关实验很有必要，实验中采取相应的防静电措施以防止或减少MOS管的损坏是关键所在，只要措施得当，问题就迎刃而解。除了尽可能释放外部静电，避免外部静电对场效应管造成的击穿损坏外（例如测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须良好接地），再就是在实验装置上设置保护电路，防止学生误操作造成的场效应管损坏。

三、NMOSFET主要参数测试实验与保护电路设计

（一）具有双重保护NMOSFET实验电路原理图（图8所示）

图8　双重保护NMOSFET实验电路原理图

（二）电路组成和保护原理

利用稳压管D1、D2及D3和继电器控制的S2开关对MOS场效应管进行极间双重保护，其特点就是在未进行测试时，即实验电路未通电时，继电器J失电，S2常闭触头处于闭合状态，G-S极间短接，MOS管处保护状态。当电路搭建完毕通电实验测量时，继电器J得电S2常闭触头断开，解除G-S极间短接保护。测试过程中，由D1、D2、D3组成的二极管保护电路起作用，可以有效防止调测电路、误操作（如带电焊接电路）损坏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组成分压式共源放大电路。调整W可改变MOS管的静态工作点，即IDQ、UGSQ、UDSQ的值。其中Q选用2F7000，2F7000为N沟道增强型MOS场效应管，R4为漏极电阻，R5为源极电阻，R6为负载电阻，R2可减少分压式偏置电阻对输入电阻Ri的影响，C1为输入交流耦合电容，C2为输出交流耦合电容，C3为交流旁路电容，mA为电流ID测试口，uA为电流IG测试口，S1为输入与输出交流信号电压（交流毫伏表或示波器）测试转换开关，由继电器J控制的S2为测试前保护开关，S3为UGS与UDS直流电压测试转换开关，S4为空载与有载转换开关，D1、D2为测试保护稳压二极管，将UGS的值限制在D1或D2的稳压值内，防止GS极间击穿损坏。D3为钳位保护二极管，当漏极有过高负的干扰脉冲时，D3导通将其吸收，防止D-S极间击穿损坏。

（四）MOS管主要参数的测试过程

1.MOS管开启电压uT测试

电路不通电，将万用表置直流mA档并串接在漏极电流测试口，同时将万用表值直流电压挡并接在直流电压测试端，通过S3直流电压测试转换开关切换到测UGS，测试前S2闭合保护有效。接通电路，S2断开则保护自动解除，调节电位器W使电流表指示为零，缓缓调节W，当ID读数为10uA时，读出万用表值直流电压值，即为MOS管开启电压uT，本例uT=1.5V。开启电压为正，判断其为N沟道。

表1　不同UGS时的漏极电流ID

2.MOS管低频跨导（互导）gm测试

将万用表置直流mA档并串接在漏极电流测试口，同时将万用表置直流电压挡并接在直流电压测试端，通过S3直流电压测试转换开关切换到测UGS或UDS。接通电路，调节电源电压使UDS分别为0、0.1、0.2、0.3、0.5、1、5、10、15V，调节电位器W改变UGS，对应得到UGS为0、2.2、2.4、2.6、2.8V时的漏极电流ID，数据如表1所示。

3.直流输入电阻RGS测试

将直流电流表置uA档串接在IG测试口，短接漏极电流测试口，接通电路，调节W使读出IG为0.0015uA，MOS管的直流输入电变，场效应管进入恒流区。MOS管低频跨导（互导）gm可由下式计算:阻

4.分压式共源放大电路电压放大倍数

5.分压式共源放大电路电压放大倍数实验验证步骤

调节W使被测场效应管的直流工作点分别为即该管处于恒流放大区。

空载测量:S4置断开位置，在输入端加入f= 1kHz，ui=20mVPP的正弦波信号，示波器并接在输入输出交流电压测试转换开关S1公共端2与地之间，拨动S1使开关2-3接通监测输入波形，再拨动S1使开关2-1接通监测输出波形，其uo=1950mVPP，且输入输出波形反相，故Au=uo/ui=-1950/20=-97.5，与理论值接近。

有载测量:S4置闭合位置，重复上述测量过程，监测到uo=625mVPP，故Au=uo/ui=-625/20=-31.25，与理论值接近。

（五）测试保护效果

继电器J控制的S2开关和二极管双重保护测试结果:经多轮次、多组学生带电连接电路、焊接电路、调试测试电路，MOS管完好无损，保护可靠。

（六）NMOSFET主要参数测试实验与保护电路的通用性

该电路可以测试所有小功率管型的场效应管，包括JFET和MOS管，电路稳定，调试和测试方便，安全可靠。只需对电路做小的改动，短接R2，就可以用来方便地测试晶体三极管的参数和放大性能，这时的IG测试口即为IB测试口，ID测试口即为IC测试口，UGS测试端即为UBE测试口，UDS测试口即为UCE测试口，通过测试可方便描绘出晶体三极管共射输入、输出特性曲线，并可测出晶体三极管共射电路的电压放大倍数。

［1］崔玫.模拟电子技术与实践［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［2］华成英.模拟电子技术基本教程［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］康华光.电子技术基础:模拟部分［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［4］刘德进.MOS管实验教学电路的设计与仿真［J］.无锡商业职业技术学院学报，2012（6）:109-112.

（编辑:林钢）

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

江苏省应用电子技术专业中高职衔接课程体系建设研究课题（2015SKT001）

曹钟林（1959—），男，江苏扬州人，副教授，高级实验师，研究方向为应用电子技术教育。