实验指导书

实验一 PN结电容测量

在直流或低频下，PN结有很好的整流特性。但当电压频率增高时，整流特性变坏，甚至无整流效应。这种现象是由PN结电容引起的。PN结电容是PN结的主要特性之一。它包括势垒电容和扩散电容。

当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容CT。PN结外加偏压变化时，扩散区中电荷数量随着变化，由此而产生的电容称为扩散电容，用CD表示。势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj，低频时其作用忽略不计，只在信号频率较高时才考虑结电容的作用。

电容与电压关系：C=

dQ

（1） dV

当PN结加反向电压时，CT明显随U的变化而变化，利用这一特性制成各种变容二极管。同时利用PN结电容随外加电压的变化规律，可确定突变结轻掺杂一侧杂质浓度，或线形缓变结杂质浓度梯度，也可确定PN结接触电势差。

一、实

验 目 的

测量PN结电容，了解势垒电容与电压关系。

二、实

验 原 理

1、PN结电容随外加电压的变化规律

PN结势垒电容的实质是，当PN结外加正向偏压增加(或反向偏压减小)时，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电荷由不能自由移动的杂质离子组成，所以空间电荷的减少是由于n区的电子和P区的空穴过来中和了势垒区中电离施、受主离子，即将一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当PN结外加正向偏压减少(或反自偏压加大)时，势垒区变宽，空间电荷数量增加。这就意味着有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。这种载流子在空间电荷区中的“存入”和“取出”，如同一个平行板电容器的充与放电。不同的是，PN结空间电荷区宽度随外加电压变化，见图1。

1

实验指导书- PN结电容测量

图1 PN结势垒电容

由半导休物理可知，对于单边突变结，若PN结面积为A，则势垒电容

CT=A[qε0εrNB/2(VD−V)] (2)

式中NB−−PN结轻掺杂一侧杂质浓度 εr−−半导体介电常数 ε0−−真空介电常数

12

对于线性缓变结有

CT=A[qaεε/12(VD−V)] (3)

式中aj−−杂质浓度梯度

22j0r

13

从式(2)和(3)看出，突变结势垒电容和结的面积及轻掺杂一侧杂质浓度有关，线性缓变结势垒电容与结面积及杂质浓度梯度有关。为了减小势垒电容，可以减小结面积和轻掺杂一侧杂质浓度或杂质浓度梯度。另外，从公式还可看出，势垒电容正比于(VD−V)或(VD−V)。这说明反向偏压越大，则势垒电容越小。

−1

2

−13

图2 反偏PN结的C-V曲线

2

实验指导书- PN结电容测量

PN结扩散电容指的是PN结外加正向偏压时，电子和空穴在P区和N区中形成非平衡载流子的积累。当正向偏压增加时，在扩散区中积累的非平衡放流子也增加，即N区扩散区内积累的非平衡空穴和与之保持电中性的电子以及P区扩散区中积累的非平衡电子和与之保持电中性的空穴均增加，导致扩散区内电荷数量随外加电压变化，形成扩散电容，扩散电容随正向偏压按指数关系增长。

在反向偏压或小的正向偏压作用下，以势垒电容为主；在大的正向偏压作用下，以扩散电容为主。

本实验主要测电容在反向偏压作用下的电容变化值，故以势垒电容为主。

2、由PN结势垒电容测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度

对于单边突变结，将式(2)两边平方取倒数，得

1/CT2=2(VD−V)/A2ε0εrqNB (4)

上式对V求微分

d(1/CT2)/dV=2/A2ε0εrqNB (5)

用实验作出1/CT2~V的关系，为一条直线，式(5)为直线的斜率。因此，可由斜率求得轻掺杂一侧的杂质浓度NB，直线的截距可确定PN结接触电势差VD。

对于缓变结，将式(3) 两边平方取倒数得

22

1/CT3=12(VD−V)/A3ε0εrqaj (6)

由实验得出1/CT3~V关系曲线，为一条直线。从直线斜率可得杂质浓度梯度aj，直线的截距可确定PN结接触电势差VD。

三、实 验 仪 器

本实验用到的仪器有：数字万用表、C-V测试系统、微机。

四、实 验 内 容

1、利用C-V测试仪，在高频下，测试PN结反向特性； 2、得到PN结反向下，电容与电压的关系； 3、测量同一类型的不同的晶体管C-V曲线； 4、记录并比较不同的晶体管C-V曲线。

3

实验指导书- PN结电容测量

五、实 验 步 骤

1、将PN二极管两端与测试仪器相接；打开“ICS”软件； 2、点击3、在

按扭，在“Sub-Type”下选择“KI KPC488.2”，点“OK”； 下，选择“KI82”，点“Connect”,然后点击“config…”,点击“Verify”,

显示系统已正确配置，然后依次点击“OK”即可； 4、

下，点击

，给器件取一个名字；然后打开

，选择器件，

这里我们选择二极管；用，对二极管两端进行定义起输入输出，点

击“Source Units”中的“Done”；

5、单击“OUT”，弹出一对话框，对“Stimulus”选“1MHz”；然后调整开始、截止和步长，点击“OK”；

6、在“Setup Editor”下，单击“Done”； 7、选择

，单击

，在

，系统开始运行；

下，选择“CH”，单击“Done”；

8、测试完成后，单击9、最终得到曲线。

六、数据处理和分析

1、从C-V图中，看到确定结电容梯度因子，从而得出结的类型；

2、画出1/CT2~V或1/CT3~V直线，由直线的斜率求得轻掺杂一侧的杂质浓度NB

或杂质浓度梯度aj，由直线的截距确定PN结接触电势差VD； 3、对同一类型的不同晶体管，重复前两步，得到一个平均值。

七、 参 考 资 料

九院校编写组, 微电子学实验技术, 东南大学出版社, 1991年。

4

实验指导书-晶体管特征频率的测量

实验二 晶体管特征频率的测量

晶体管特征频率ƒT定义为共射极输出交流短路电流放大系数∣β∣随频率增加而下降到1时的工作频率，它反映了晶体管共射极运用具有电流放大作用的频率极限，是晶体管的一个重要频率特性参数。ƒT主要取决于晶体管的合理的结构设计，但也与晶体管工作时的偏置条件密切相关。因而，晶体管的特征频率是指在一定偏置条件下的测量值。其测量原理通常采用“增益—带宽”积的方法。

本实验目的是掌握晶体管特征频率ƒT的测试原理及方法，熟悉ƒT分别随VCE和IE变化的规律，加深其与晶体管结构参数和工作偏置条件关系的理解，为晶体管的频率特性设计、制造和应用奠定基础。

一、实 验 目 的

测量晶体管的特征频率与电流电压的关系。

二、 实 验 原 理

共射极交流工作状态下，晶体管发射结电压周期性变化引起发射结、收集结空间电荷区的电荷和基区、发射区、收集区内的少子、多子也随之不断重新分布，这种现象可视为势垒电容和扩散电容的充放电作用。势垒电容和扩散电容的充放电使由发射区通过基区传输至收集区的载流子减少，传输的电流幅值下降，同时产生载流子传输延时，加之载流子渡越收集结空间电荷区时间的影响，使输入、输出信号产生相移，电流放大系数β变为复数，并且其幅值随频率的升高而下降，相位移也随频率的升高而增大。因而，晶体管共发射极交流短路放大系数β的幅值和相位移是工作频率的函数。

理论上晶体管共发射交流短路放大系数可表示为：

β=

β0exp(−jmω/ωb)

（1）

1+jω/ωβ其幅值和相位角随频率变化的关系分别为：

β=

β0

[1+(f/fβ)]

21/2

（2）

ϕ=−[arctg(ω/ωβ)+mω/ωb] （3）

可见，当工作频率ƒ《ƒβ时，β≈β0，几乎与频率无关；

5

实验指导书-晶体管特征频率的测量

当ƒ=ƒβ时，β=β0/2，∣β∣下降3dB；

当ƒ》ƒβ时，βf=β0fβ。根据定义，∣β∣=1时的工作频率即为特征频率ƒT，则有：

fT=βf=β0fβ （4）

另外，在晶体管共基极截止频率ƒα＜500MHZ时近似有ƒT≈ƒα/（1+m），微波管中ƒT≈ƒα。所以关系式（4）表明当工作频率满足ƒβ《ƒ＜ƒα时共发射极交流短路电流放大系数与工作频率乘积是一个常数，该常数即特征频率ƒT，亦称“增益—带宽”积。上式同时还表明∣β∣与ƒ成反比，ƒ每升高一倍，∣β∣下降一倍，在对数坐标上就是∣β∣~ƒ的(-6 dB)/倍频关系曲线，图1表明了∣β∣随频率变化的关系。

直接在∣β∣=1的条件测量是比较困难的，而在工作频率满足ƒβ《ƒ《ƒα之关系时测得∣β∣，尔后再乘以该测试频率，也就是利用图1的线性段就可以在较低频率下获得特征频率ƒT，使测量变得简单，这就是通常测量ƒT的

基本原理。 图1 电流放大系数随频率的变化

晶体管原理课中分析了特征频率与晶体管结构等参数的基本关系。在一般情况下晶体管的集电结势垒电容远小于发射结势垒电容，如果再忽略寄生电容的影响，那么特征频率可表示为

fT−1=2π(reCTe+Wb2/λDb+xmc/2vsl+rcsCTc)=2π(τe+τb+τd+τc)

（5）

很明显，ƒT是发射结电阻、基区宽度、势垒区电容和势垒区宽度等的函数。而这些参数虽然主要取决于晶体管的结构，但也与晶体管的工作条件有关，即工作偏置不同ƒT也不等。因此，通常所说的某晶体管的特征频率是指在一定偏置条件下的测量值。图2表示了VCE等于常数时ƒT随IE的变化，图3表示IE等于常数时，ƒT随VCE的变化。这种变化是载流子传输时间随工作偏置改变所致。

6

实验指导书-晶体管特征频率的测量

图2 ƒT与工作电流IE的关系 图3 ƒT与工作电压VCE的关系 将关系式re≈kT/qIE代入式（5），得到

fT−1=2π(

kT1

•CTe+τb+τd+τc) （6） qIE

一般情况下，在集电极工作电压一定，IE＜ICM时，可近似认为τb、τd、τc与IE无关，因而通过测量ƒT随IE的变化，并作出1/ƒT与1/IE的关系曲线，由曲线的斜率即可求得CTe的近似值，同时由曲线的截距求得（τb+τd+τc）的近似值。

ƒT的测试装置如图4所示。其中信号源提供ƒβ《ƒ＜ƒα范围内的所需要的点频信号电流，电流调节器控制输入被测管的基极电流，测试回路和偏置电源向被测管提供规范偏置条件，宽带放大器则对被测管的输出信号进行放大，显示系统指示ƒT值。显然显示系统表头指示的参数是经被测管放大了的信号源电流信号，但经测试前后的“校正”和“衰减”处理可转换成相应的∣β∣值。其过程和原理如下，测前“校正”时被测管开路，基极和集电极插孔短接，旋转电流调节旋扭使ƒT指示表头显示一定值，这样就预置了基极电流。插入被测管测试时ƒT显示系统表头就显示了经被测管放大了的输入信号电流。由于测试过程中被测管的基极电流仍保持在“校正”时的值，则取二者的比值就确定了∣β∣，然后乘以信号频率即可得到晶体管的特征频率ƒT。如果测试时取了一定的衰减倍率，那么计算∣β∣时将预置的基极电流也缩小同样倍数其结果不会改变。

目前，ƒT的测试多采用晶体管特征频率测试仪，尽管测试仪的型号不同，但都是依据增益—带宽积的原理而设计的，其结构框图仍可用图4表示，测试方法也基本与上述相同，差别在于测试仪“校正”时，短接B-C端，直接调节校准

7

实验指导书-晶体管特征频率的测量

图4 特征频率ƒT测试系统方框示意图

旋钮至频率表显示100。测量时，将电压调至规定值，如果被测管功率较小，应先将电流旋钮逆时针调小。插入被测管，调节电流读出ƒT。β：30键可对电流放大以满足电流要求。

三、实 验 仪 器

DT9205数字万用表和QG23A小功率晶体管Ft测试仪。

四、实 验 内 容

1、在规范VCE、IE偏置条件下测量所选晶体管的特征频率ƒT； 2、VCE置规范值，改变IE测量ƒT~IE变化关系； 3、IE置规范值，改变VCE测量ƒT~VCE变化关系； 4、在被测管的发射结并接数pF电容，观察ƒT变化； 5、求出被测管的CTe、（τb+τd+τc）的近似值； 6、改变测试频率重新进行1~4的实验。

五、实 验 步 骤

1、了解所用特征频率测试仪的测试范围、信号源的工作频率，熟悉使用方法，然后开始预热；

2、选取被测晶体管样品，从器件手册查出其ƒT的规范测试条件； 3、做好测试准备工作； 1) 确定信号源工作频率； 2) 校正测试仪，预置电压； 3) 将仪器置测试状态。

4、在规范偏置条件下测量样品管的ƒT；

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实验指导书-晶体管特征频率的测量

5、VCE在规范值，测量ƒT~IE关系； 6、IE在规范值，测量ƒT~VCE关系；

7、在被测管发射结并数pF电容，重复4、5、6项工作； 8、将测试仪恢复到“准备”状态；

9、改变信号测试频率，重新进行4、5、6、7项实验。

六、数据处理和分析

1、将实验步骤4-9的测试条件及结果数据列表，并计算出相应的∣β∣值； 2、依实验数据分别给出ƒT~VCE、ƒT~IE和1/ ƒT ~1/IE关系曲线； 3、由1/ ƒT ~1/IE关曲线计算出CTe、（τb+τd+τc）值；

4、对实验步骤5-7的相应曲线和测量数据进行简要理论分析； 5、对不同频率的测试结果进行比较分析。

七、 参 考 资 料

九院校编写组, 微电子学实验技术, 东南大学出版社, 1991年。

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实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

实验三 晶体管特征参数的测量及与直流

电流-电压的关系的测试分析

双极型晶体管(BJT)于1947年由BELL实验室的Batin、Bratain和Schokley发明，它是三端器件，具有电流放大作用，其高速性能突出。近二十年来，MOSFET由于其低功耗、易于集成的特点，使得BJT的突出地位受到了严重挑战，但它在高速计算机、火箭和卫星、现代通信和电力系统方面仍是关键器件。而且，随着异质结双极晶体管(HBT)的实现，双极晶体管技术也有了突破性进展，这类器件有希望保持其在速度方面的优势。

在制造晶体管和集成电路以及使用晶体管的过程中，都要检测其性能。晶体管输入、输出及传输特性普遍采用直接显示的方法来获得特性曲线，进而可测量各种直流参数。

本实验的目的是了解半导体I-V测试系统的原理，掌握其使用方法，并用这种仪器进行晶体管直流参数测试及芯片检测，分析晶体管质量，找出失效原因，作为进一步改进器件性能的依据。

一、 实 验 目 的

了解晶体管特征参数对晶体管的影响。

二、 实 验 原 理

半导体I-V测试系统如图1所示，

图1 半导体I-V测试系统

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实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

利用半导体I-V测试系统 (图1) 测试晶体管输出特性曲线的原理如图2所示。图中BJT代表被测的晶体管，RB、EB构成基极偏流电路。取EB>>VBE,可使IB=(EB- VBE)/ RB基本保持恒定。在晶体管C-E之间加入一锯齿波扫描电压，并引入一个小的取样电阻RC，这样加到示波器波上X轴和Y轴的电压分别为：

Vx=Vce=Vca +Vae=Vca-IcRc≈VcaVy=-Ic•Rc∝-Ic

当IB恒定时，在显示屏上可以看到一根Ic—Vce的特性曲线，即晶体管共发射极输出特性曲线。

图2 测试输出特性曲线的原理电路

为了显示一组在不同IB的特性曲线簇Ici=Φ(Ici, Vce)应该在锯齿波扫描电压每变化一个周期时，使IB也有一个相应的变化，所以应将图2中的EB改为能随锯齿波扫描电压变化的阶梯电压。每一个阶梯电压能为被测管的基极提供一定的基极电流，这样不同的阶梯电压VB1 、VB2 、 VB3 …就可对应地提供不同的恒定基极注入电流IB1 IB2

图3 基极阶梯电压与集电极扫描电压间关系 IB3…。只要能使每一阶梯电压所维持的时间等于集电极回路的锯齿波扫描电压

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实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

周期，如图3所示，就可以在T0时刻扫描出Ic0=Φ(Ib0, Vce)曲线，在T1时刻扫描出Ic1=Φ(Ib1, Vce)曲线…。通常阶梯电压有多少级，就可以相应地扫描出有多少根Ic=Φ(Ib, Vce)输出曲线。半导体I-V测试系统是根据上述的基本工作原理而设计的。

描述晶体管的参数很多，双级型晶体管直流参数的测试主要包括： 1、反向漏电流和反向击穿电压的测试

将晶体管按规定的引脚插入之后，逐渐加大反向峰值电压，即可观察到晶体管反向伏－安特性曲线，进而可测出反向漏电流的大小。当反向电压增加到某一数值之后，反向电流迅速增大，这就是击穿现象。通常规定晶体管两级之间加上反向电压，当反向漏电流达到某一规定值时所对应的电压值即为反向击穿电压。 晶体管的反向漏电流和反向击穿电压有三种情况：

（1） ICBO, V(BR)CBO：E极开路时C-B之间的反向漏电流和反向击穿电压； （2） IEBO, V(BR)EBO：C级开路时E-B之间的反向漏电流和反向击穿电压； （3） ICEO, V(BR)CEO：B级开路时C-E之间的反向漏电流和反向击穿电压；

根据这些参数的定义，测试时分别将晶体管C、B级，E、B级和C、E级分别与探针连接，然后加上反向电压，就可进行测量。测试ICEO, V(BR)CEO时，也可将晶体管E、B、C分别和三端口相连接，将基极开路，在C、E级之间加上反向电压进行测量。

2、输入阻抗的测试

晶体管的输入特性对于共发射极电路来说是指IB和VBE的关系，输入阻抗用Rin表示。

以npn管为例，将被测管E、B、C极分别和三端口连接，然后加大VCE电压，便可得到如图4所示的共发射极组态下的输入特性曲线。

图4 晶体管输入特性的测试 共发射极输入阻抗用Rin的定义可表示如下：

12

实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

Rin＝αVBE/αIB|VCE=常数≈ΔVBF/ΔIB|VCE=常数

例如，若要测出当VBE＝5V，IB=40μA时的输入阻抗，可以调节使VCE＝5V，IB置10μA/级，从图4右边一根曲线上，可自下而上数到第四个亮点（Q点），就对应于IB=4×10μA ＝40μA的一点，然后过Q点作切线，以切线为斜边作直角三角形，即可求出待测的输入阻抗的数值，不同的IB对应于不同Rin的值。

3、电流增益的测试

共发射极电路电流增益的定义如下：

图5 晶体管输出特性曲线 hFE＝αIC/αIB|VCE=常数≈ΔIC/ΔIB|VCE=常数

以npn管为例，正确选择各个参数之后，将被测管通过探针接入半导体I-V测试系统，就可以在屏幕上得到如图5所示的输出特性曲线簇。

对应于图中的工作点Q,可以求出电流增益为

hFEQ＝ΔIC/ΔIB|VCEQ=(IC2-IC1)/(IB2-IB1)|VCEQ

测试得到IC~IB曲线，其曲线斜率就是hFE。所得曲线即为电流传输特性曲线。

4、饱和降压的测试

晶体管的饱和降压VCES是指在给定的IB和IC的条件下，晶体管工作在饱和状

态时集电极和发射极之间的电压降。晶体管的饱和压降曲线如图6所示。这组特性曲线是在输出特性曲线部分将VCE 轴放大之后得到的。根据饱和压降的定义，当给定IB和IC的

数值后，可以从晶体管的饱和压降曲线上找出相应的饱和压降VCES。IB和IC的取值由测

试条件规定，一般在测试中取IC＝10IB时的

VCE值作为VCES。

图6 晶体管饱和压降曲线5、正常管和失效管输出特性曲线的比较

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实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

图7 几种不正常晶体管的输出特性曲线

（1） 正常晶体管的输出特性曲线应该如图5所示。在起始部分电流上升很快，

然后变化比较平坦，即IB受VCE变化影响较小,表明输出阻抗很大。线间的

间隔比较均匀，表明电流增益基本保持不变。从图形上计算出的电流增益hFE比较合乎规格,晶体管的击穿电压较高。

（2） 晶体管在生产者出现不正常的原因很多，故输出特性曲线的形状各异，一

些不正常的输出特性曲线举例如下：

A、 输出特性曲线疏密不均，特别是在IB较小时的几根曲线靠的很 近,

甚至合并在一起，如图7（a）所示。这种晶体管在小注入时β很小，放大作用差，故对小信号工作时放大不利，容易引起非线性失真； B、 输出特性曲线倾斜而且发散，但零注入线（IB=0）仍是平的，如图

7(b)所示。这种管子hFE随VCE的增大而增加,击穿电压较低，输出阻抗也低，放大信号的线性作用差，失真大，工作不稳定；

C、 特性曲线倾斜，而且零注入线也变成倾斜，如图7(C)所示这种晶体

管不仅输出阻抗低、线性差，而且反向漏电电流大；

D、 曲线的上升部分缓慢，如图7(d)所示。这种晶体管饱和压降太大，

不能用于开关工作，放大工作范围小。

三、实 验 仪 器

本实验用到的仪器有：I-V测试仪、测试台和晶体管。

四、实 验 内 容

在了解BJT的实验原理后，我们将测试BJT的直流参数：

1、利用I-V测试仪对BJT不同类型的反向击穿电压进行测试； 2、用I-V测试仪对BJT输入输出特性曲线测试； 3、测试BJT饱和曲线。

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实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

五、实 验 步 骤

1、确定晶体管三个B、E和C极，将样品各极与测试端口相接； 2、打开I-V测试仪，单击“KITE”；

3、双击Vce-ic，将不同端口与晶体管的三极对应； 4、设置基极电流和集电极电压，以及其他参数； 5、设置完成后，单击“运行”安钮；

6、改变基极、集电极和发射极参数，单击“运行”安钮，测量不同的值； 7、双击“gummel”可测输入曲线，双击“vcsat”可测饱和电压； 8、将测试数据和曲线保存。

六、实 验 数 据 处 理

通过BJT 直流参数曲线和数据测试，得到：

1、通过PN结反向的办法测量不同极开路下，反向漏电流和反向击穿电压； 2、从输入特性曲线中，得到输入阻抗；

3、在输出曲线中，算出电流增益，以及观察饱和降压值； 4、判断测量晶体管正常与否。

根据试验中观察到的波形及记录的数据，拟成图表求出各个参数并对器件质量进行分析。

双极形晶体管的测试条件举例

3DG6 3AD6 待 测 参 数

ICBOIEBOICEOV(BR)EBOV(BR)CBOV(BR)CEO

Rin

测试条件 VCB=10V VBE=1.5V VCE=10V IB=－100μA

测试条件 VCB=20V VBE=10V VCE=10V IB=5mA

IC=100μA IC=200μA IB=50μA,VCE＝5V

IC=5mA IC=10mA IB=1mA,VCE=2V

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实验指导书-晶体管特征参数的测量及与直流电流-电压的关系的测试分析

hFEVCES

IC=3mA,VCE=5V

IC=10IB

IC=0.2A,VCE=2V

IC=10IB

七、参 考 资 料

[1] 九院校编写组, 微电子学实验技术, 东南大学出版社, 1991年； [2] Keithley 4200 Help；

[3] 张建华，电子技术基础实验技术P．212，北京工业学院出版社，1987年； [4] 林昭炯、韩汝琦，晶体管原理与设计，P．128－149，科学出版社1979年； [5] Adir Bar-Lov,Semiconductors and Electronic Devices, P．252-315,1984； [6] Robert F. Pierret， 半导体器件基础，电子工业出版社，2004。

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实验指导书- MOSFET直流参数测试

实验四 MOSFET直流参数测试

MOSFET的直流输入特性、直流输出特性、开启电压、直流导通电阻、源漏击穿电压、跨导和动态电阻是通常主要的测试项目。本实验采用微机控制的MOSFET直流特性测试系统测试。其特点是自动化程度高、结果直观、测试精度高。其测试结果可打印输出，也可以存盘保留。

测试样品应是G、D、S和B端互相独立，并能引出的MOSFET，一般是单管或IC芯片的陪测管。实验提供了G、D和S三端互相独立的器件。但由于B和S短接，他们的VBS恒等于零，因此该样品不能用来测试衬底调制效应。以下实验均以N沟MOSFET为例。

一、 实 验 目 的

测试MOSFET直流参数，了解MOS中各参数对输入输出的影响。

二、 实 验 原 理

1、直流输入特性——IDS~VGS关系曲线

MOSFET是用栅电压控制源漏电流的器件，固定一个漏源电压VDS可测的一条IDS~VGS关系曲线，对应一组阶梯漏源电压可以测得一簇直流输入特性曲线如图1所示。每条曲线均有三个区域,即截止区、饱和区和非饱和区。曲线与VGS轴交点处VGS=VT。曲线中各点切线的斜率即为相应的跨导

图1 MOSFET直流输入特性曲线

gm。切线斜率越大，跨导越大。三个区域中IDS~VGS关系分别为：

(1) 截止区：0≥VGS−VT，IDS=0，特征曲线与VGS轴重合，跨导gm=0。

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实验指导书- MOSFET直流参数测试

(2) 饱和区：02

gm=2k(VGS−VT)。

(3) 非饱和区：VGS−VT>VDS，IDS=k2(VGS−VT)VDS−VDS特性曲线为一直

2

[]线，所以也叫线性区，跨导gm=2kVDS。用直流输入特性曲线可测定MOSFET在各工作点上的跨导。

2、直流输出特性——IDS~VDS关系曲线

MOSFET在某一固定的栅源电压所得IDS~VDS关系即为直流输出特性，对应一组阶梯栅电压可得一簇输出特性曲线，如图2所示。每条曲线分三个区域：

图2 MOSFET直流输出特性曲线

(1) VGS−VT>VDS 非饱和区，曲线斜率逐渐变小。 (2) VGS−VT≤VDSBVDS 击穿区，为陡直线上升曲线。

从这簇曲线中可测得MOSFET的直流导通电阻RON、动态电阻rd、平均跨导gm及源漏击穿电压BVDS。

直流导通电阻RON=VDSIDS，曲线中每点（即每工作状态）的导通电阻为

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这点所对应的VDS和IDS的比值。在VDS很小时，特征曲线呈线性，RON即为直线斜率的倒数，即：RON非＝在临界饱和点：RON临＝

1

2k(VGS-VT)

1

k(VGS-VT)

实际上，导通电阻是随VDS和VGS变化的可变电阻.

MOSFET动态电阻rd=

∂VDS

曲线中各状态点的动态电阻即为各点切线|VGS，

∂IDS

斜率的倒数。在非饱和区VDS很小时，rd=RON非，在饱和区rd是一个阻值很大的常数。

MOSFET的源漏击穿电压可从特性曲线中直接测取。

MOSFET在某一VDS范围内的跨导平均值gm可在特性曲线中直接测出。

gm=

3、开启电压VT

IDS2−IDS1

|VDS

VGS2−VGS1

使MOSFET开始强反型导通时所加的栅源电压叫开启电压，它是受衬底电压VBS调制的，当VBS=0时开启电压为VT0。开启电压测量方法有：

(1)

最简单的方法是测量IDS~VGS关系曲线，曲线与VGS轴交点处即为VGS=VT0。由于亚开启和漏电流问题,这种方法不够准确。

(2)

拟合直线方法可以测得较准确的开启电压。在VDS很小时，在非饱和区关系：VGS=

1IDS

⋅+VT 2kVDS

测IDS~VGS关系数据，作IDS/VDS~VGS关系的直线，直线在VGS轴的

截距即为开启电压VT。

(3)

饱和1μA法测量开启电压是一种很简单的方法。把MOSFET漏栅短

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接，即使其工作在饱和区，将IDS=1μA的VGS值定为MOSFET的开启电压。这种方法所测得的值比实际开启电压值略大。

三、实 验 仪 器

I-V特性测试仪和测试台。

四、实 验 内 容

1、测量不同漏源压降下的直流输入特性曲线，并得到开启电压；

2、测试不同栅源电压的输出特性曲线。在显示的输出特性曲线上测定MOSFET的直流导通电阻，动态电阻，平均跨导和源漏击穿电压； 3、用非饱和区拟合直线法，饱和1μA的开启电压。

五、实 验 步 骤

1、将样品各极与测试端口相接；

2、利用I-V测试仪，对MOSFET的输入输出特性曲线进行测量； 3、将测试结果保存，以便数据处理与分析。

具体实验步骤：

1、确定MOS三个G、D和S极，将样品各极与测试端口相接； 2、打开I-V测试仪，单击“KITE”；

3、双击Vds-id，将不同端口与MOS的三极对应； 4、设置栅极电压和漏极电压，以及其他参数； 5、设置完成后，单击“运行”安钮；

6、改变栅极、漏极和源极参数，单击“运行”安钮，测量不同的值； 7、双击“vgs-id”可测输入曲线； 8、将测试数据和曲线保存。

六、数 据 处 理 和 分 析

将测试的数据进行整理,列表比较：

1、从输入特性曲线中，取出不同的电压/电流点，从而得到跨导值。画出跨导与栅源电压的变化关系；

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2、在输出曲线中，通过分析计算，得到MOSFET的直流导通电阻，动态电阻，平均跨导和源漏击穿电压； 3、利用不同方法得到开启电压。

七、 参 考 资 料

九院校编写组, 微电子学实验技术, 东南大学出版社, 1991年。

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