教學用原理演示型場效應管測量儀構想與實踐*

馮伯翰

（廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126）

場效應管主要有兩種類型：結型場效應管（簡稱JFET）和金屬-氧化物半導體場效應管（簡稱MOS-FET）。場效應管屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點。場效應管屬于負溫度系數器件，隨溫度上升電流減小，與晶體三極管的正溫度系數特性剛好相反。

0 引言

場效應管主要有結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類，根據結構和工作原理不同，結型場效應管和絕緣柵型場效應管還有P溝道和N溝道結構的區分，此外絕緣柵型場效應管按工作性質區分為增強型和耗盡型。

（1）結型場效應管

結型場效應管的工作原理是“柵極與溝道間的PN結形成反偏的柵極電壓控制漏極-源極間流經溝道的電流ID”。更確切地說，ID流經通路的寬度，即溝道截面積是由PN結反偏電壓的變化，產生耗盡層擴展變化控制的緣故。如圖1所示。

（2）絕緣柵型場效應管

絕緣柵場效應管的工作方式有兩種：當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗盡型；另一種是當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加上一定的柵極電壓之后才有漏極電流的稱為增強型。當柵極電壓小于開啟電壓時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態，只有柵極電壓大于開啟電壓時，才有導電溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓便有漏極電流產生。而且柵極電壓增大時，導電溝道增大，溝道電阻減小，漏極電流增大，這是絕緣柵型場效應管的柵極電壓控制漏極電流的作用[1-2]。

（3）部分場效應管封裝和管腳的排列

國產的型號命名方法與晶體三極管相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。例如，3DJ6是結型N溝道場效應三極管，3DO6是絕緣柵型N溝道場效應管。如圖2所示。

圖2 絕緣柵場效應管結構圖

1 場效應管的轉移特性曲線

由于場效應管的類型、導電溝道的不同，以及增強型和耗盡型的區別，共有6種轉移特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同[3]。如圖3所示。

2 場效應管設計構想[4-5]

方案一：采用CD4053芯片作為電子開關控制。CD4053內部含有3組單刀雙擲開關，3組開關具體接通哪一通道，由輸入地址碼ABC來決定。S2為管型設定：分別有結型N溝道、結型P溝道、絕緣柵N溝道和絕緣柵P溝道4檔選擇。S1與RP一起構成柵極電壓調節。測量結型管時把S1與RP置0檔，電流表的讀數為漏極飽和電流IDSS，然后調節S1為第10檔，通過調節RP（柵極電壓）使漏極電流為零，此時電壓表的電壓為夾斷電壓VP；調節RP使柵極電壓為整數電壓值，逐級調節S1得到10級漏極電流，取中間的一段柵極電壓的變量ΔUGS所對應的漏極電流的變量ΔID，即可計算出跨導gm。測量絕緣柵型管時把S1置第1檔，調節RP使電流表的讀數為0.1 mA，此時的柵極電壓為閾值電壓Vth，逐級調節S1得到10級漏極電流，取中間的一段柵極電壓的變量ΔUGS所對應的漏極電流的變量ΔID即可計算出跨導gm。當漏源電流IDS為1 A時，用萬用表測量漏源電壓，即可計算出導通電阻Ron[4]。如圖4所示。

圖3 場效應管的轉移特性曲線

方案二：采用用手動撥動開關實現切換功能。電路圖設計如圖5所示。

圖4 方案一

方案三：采用555芯片、CD4040芯片及CD4053芯片實現S2為每級電壓選擇開關，第一檔：0.1 V/級，共63級；第二檔：0.2 V/級，共63級；第3檔：0.5 V/級，共31級。 S3為被測管類型，選擇：1）結型N溝道；2）結型P溝道；3）絕緣柵N溝道；4）絕緣柵P溝道。W1～W3為每級電壓調整電位器。SP1為操作按鈕，每按動一下柵級電壓上升一級。SP2為清零按鈕，按下清零柵極電壓為0 V。U2還可考慮改為加減計數器，如可預置4位二進制可逆計數器CD40193。

電路圖設計如圖6所示。

3 場效應管測量儀技術性能及使用方法測量

圖6 方案三

根據場效應管的特點，設計了場效應管應用參數測量電路，該儀器不僅可用于測量各種場效應管的應用參數，還可采用逐點測法繪制出被測管的轉移特性曲線，能很好地應用于教學中。該儀器有針對性引導學生學習相關理論并實驗驗證和自主探究，目的在于探索一種引導、參與、實踐的教學模式

3.1 主要技術性能

（1）可用于測量結型場效應管的飽和漏-源電流IDSS；夾斷電壓UP和跨導gm。絕緣柵場效應管的開啟電壓（閾值電壓）Vth；導通電阻Rdss（on）和跨導gm。

（2）采用逐點測量法繪制被測場效應管的轉移特性曲線。

（3）柵極調節范圍：0～10 V連續可調、11級步進式開關調節，每一級電壓可設置為0～1 V，每級的誤差≤1%。

（4）漏極電源的電壓可在5～15 V連續可調，電流≥1 A。

（5）跨導測試電流不小于1 A，連續可調。

3.2 控制部件說明

儀器面板如圖7所示，分別設有：（1） 漏極電流檢測電流表，電流表可通過量程開關S4切換20 mA檔(主要用于測量結型場效應管)和2 000 mA檔(主要用于測量絕緣柵場效應管)；（2）電壓表的量程為20 V、能顯示電壓的極性，可通過開關S3切換顯示柵-源極電壓或漏-源極電壓值；（3）被測管插座左邊適用于插入TO220等封裝的中功率MOS管，中間插座適用于插入TO92封裝的JFET管和DIP-4封裝的MOS管，右邊適用于插入大功率MOS管。

圖7 儀器面板

面板的下方為被測管管型切換開關S2，漏極電壓可調電位器RP2，以及柵極電壓調節電位器RP1和步進式調節開關S1。

（1）被測管管型設定切換開關S2分別有：絕緣柵P溝道MOS-P（VD：－，VG：－）；絕緣柵N溝道MOS-N（VD：＋，VG：＋）；結型P溝道JFET-P（VD：－，VG：＋）；結型N溝道JFET-N（VD：＋，VG：－）共4檔選擇。在沒有插入待測管時，可把S3置VDS/VGS進行確認。

（2）漏極電壓調節旋鈕RP2，測試前可將開關S3撥至VDS，然后轉動該旋鈕，在沒有插入待測管時，通過電壓表進行確認漏極電壓調節范圍為5～15 V。

漏極電壓調節旋鈕RP2在測量絕緣柵場效應管的導通電阻Rdss(on)時，可用于調節(控制)被測管的漏極電流。

（3）RP1與S1一起構成柵極電壓調節，RP1可使柵極電壓從0～10 V連續調節后輸出，再經11檔旋轉開關S1進行步進式調節，得到×0、×0.1、×0.2～×1共11檔、每級電壓變化的量值相等的柵極電壓。如圖7所示。

3.3 結型場效應管的測量

結型場效應管的主要應用參數有“漏-源飽和電流”、“夾斷電壓”和“跨導”測量前需確認被測管的結構是P溝道還是N溝道管，把管型設定切換開關S2設置為JFET-P或JFET-N擋位，把電流表量程開關S4撥至20 mA檔，正確地把被測管的引腳插入測量插座中，然后按以下步驟進行測量。

（1）確定“漏-源飽和電流”：把S1開關S1置0檔，開關S3置VG位置，讀得電壓表的讀數VG＝0 V表示被測管子的柵極電壓VG為0 V，此時電流表顯示的被測管的漏極電流ID即為被測管的漏-源飽和電流IDSS；記錄下漏-源飽和電流IDSS（mA）。

（2）確定“夾斷電壓”：旋動開關S1到第10檔，然后調節電位器RP1使電流表的讀數為0.01 mA，可認為此時被測管的漏極電流剛剛為零，讀出電壓表的讀數則為被測管的夾斷電壓VP，記錄夾斷電壓VP（V）。

（3）測定柵極電壓與漏極電流曲線的相關值：在已知的夾斷電壓值范圍內，均勻地測量出10個柵極電壓與漏極電流對應的測量結果并做好記錄。

（4）繪制轉移特性曲線。

（5）計算出跨導gm。

（6）被測管的應用參數IDSS、夾斷電壓UP、跨導。

3.4 絕緣柵型管的測量

絕緣柵場效應管的主要應用參數有“閾值電壓Vth”或者叫“開啟電壓VT”、“導通電阻Rdss(on)”和“跨導”測量前需確認被測管的結構是P溝道還是N溝道管，把電流表量程開關S4撥至2 000 mA檔，絕緣柵型場效應管多為功率管，漏-源電流比較大，因此設置漏極電流表為2 000 mA量程，漏極電壓調節旋鈕RP2逆時針旋轉到底，開關S3置VD位置讀得電壓表的讀數VD＝5 V。

以測量N溝道絕緣柵管K214為例，把管型設定切換開關S2設置為MOS-N擋位，正確地把被測管的引腳插入測量插座中，然后按以下步驟進行測量。

（1）確定開啟電壓（VT）：開關S3置VG位置，使電壓表顯示被測管子的柵極電壓VG，把S1開關S1置10檔，然后調節電位器RP1旋鈕使電流表的讀數為1 mA，可認為此時被測管的漏極剛剛出現有電流，讀出此時電壓表的讀數則為被測管的閾值電壓Vth或者開啟電壓VT。

（2）測定柵極電壓與漏極電流表示曲線的相關值：繼續調節RP1使被測管的柵極電壓(VG)變化，讀取電流表的漏極電流值，按下表的電流值變化，讀取對應電壓表對應顯示的電壓值，并做好記錄。如表1所示。

表1 柵極電壓與漏極電流相關值

（3） 繪制轉移特性曲線：由于柵極電壓UG為正值，即橫（X）軸方向為向右，漏極電流為縱（Y）軸向上方向，特性曲線繪畫于第1象限。

繪畫水平直線作橫坐標，在右端繪畫向右的箭頭；并標示VGS表示柵極電壓，單位是V。把0～200 mA對應的柵極電壓分成10段，每均等段作出刻度，分別標示遞增值。

繪畫垂直直線為縱坐標，并且分成20 mA等值的若干段刻度，分別標示20 mA的遞增值，并標示ID(mA)表示漏極電流，單位是mA。

把表中各個柵極電壓VGS對應漏極電流的交點用小點標出，把所有小點用線段連在一起，便構成該被測管的轉移特性曲線。

（4）計算出跨導gm：取曲線中間的一段（相對平直）的曲線，對應柵極電壓的變量ΔUGS和漏極電流的變量ΔID，即可計算出跨導gm。

（5）確定導通電阻Rdss(on)：調節S1和RP1使柵極電壓為10 V，然后把S3撥至VDS檔位，此時電壓表顯示漏-源極之間的電壓值，再把漏極電壓調節旋鈕RP2順時針慢慢旋轉，并注意觀察電流表和電壓表的讀數，記錄下當電流表讀數為1 A時的電壓表（漏-源極電壓值）讀數，該讀數即為被測管的導通電阻，單位為Ω，記錄導通電阻。

需要注意測量導通電阻時，被測管的電流較大（1 A）如果被測管的通態電阻較大（≥1 Ω）時，被測管的功耗較大而導致發熱，因此測量動作要盡量快，或者在電流表讀數為500 mA時，讀取電壓表（漏-源極電壓值）讀數，該讀數×2（÷0.5）即為被測管的導通電阻，單位仍為Ω，一般情況下測量結果相差不大。

4 結束語

本原理性測量儀做到理論教學與實驗相結合，能引導學生針對相關理論進行實驗驗證和展開自主探究，這是很值得采用的一種模式。樣機測試符合教學要求，獲得了師生們的好評。