实验十七 测量场效应管的夹断电压与开启电压——以N沟道与P沟道为例

实验目的

本实验旨在通过实际操作，掌握测量N沟道与P沟道场效应管（FET）关键参数——夹断电压（对于结型场效应管JFET）或开启电压（对于金属-氧化物半导体场效应管MOSFET）——的原理与方法。理解不同沟道类型场效应管的工作特性与电压极性关系，并学会使用基本电子仪器进行参数测试。

实验原理

场效应管是一种利用电场效应控制电流的半导体器件，主要分为结型场效应管（JFET）和金属-氧化物半导体场效应管（MOSFET）两大类。其核心特性由栅源电压（\(V{GS}\)）控制漏极电流（\(ID\)）。

1. 关键参数定义：

• 夹断电压（\(VP\)）：特指JFET的参数。当 \(V{GS}\) 达到此值时（对N沟道为负值，对P沟道为正值），导电沟道完全被“夹断”，\(I_D\) 减小到一个极小值（接近零）。

• 开启电压（\(V{TH}\) 或 \(V{GS(th)}\)）：特指增强型MOSFET的参数。当 \(V{GS}\) 达到此阈值时（对N沟道为正值，对P沟道为负值），开始形成导电沟道，\(ID\) 从零开始显著增加。

1. 测量基本原理：通过构建一个简单的共源极放大电路或直接测试电路，在固定漏源电压（\(V{DS}\)）的条件下，缓慢调节 \(V{GS}\)，同时精确监测 \(ID\) 的变化。夹断电压或开启电压即对应 \(ID\) 趋近于零（对于JFET或耗尽型MOSFET）或从零开始出现微小恒定电流（对于增强型MOSFET，通常取 \(ID\) 为某一微小值，如50μA）时所对应的 \(V{GS}\) 值。

实验器材

• N沟道JFET、P沟道JFET、N沟道增强型MOSFET、P沟道增强型MOSFET 各一只
• 可调直流稳压电源（双路输出） 两台
• 数字万用表 两台（用于测量电压和电流）
• 电阻箱或固定电阻（如1kΩ）
• 面包板及连接导线 若干

实验步骤（以N沟道JFET测量夹断电压 \(V_P\) 为例）

1. 电路搭建：在面包板上搭建测试电路。将JFET的漏极（D）通过一个取样电阻（如1kΩ）接至正电源（\(V{DD}\)，如+5V）；源极（S）直接接地；栅极（G）连接至另一路可调负电源（\(V{GG}\)）的负极，正极接地。将测量 \(ID\) 的电流表串联接入漏极回路，测量 \(V{GS}\) 的电压表并联在G-S之间。
2. 初始设置：将 \(V{GG}\) 调至0V，\(V{DD}\) 调至一个较小的固定值（例如3V，确保器件工作在线性区或饱和区均可，但需保持一致）。
3. 数据测量：缓慢调节 \(V{GG}\)，使 \(V{GS}\) 向负方向逐渐增加（例如从0V到-5V），每改变一个 \(V{GS}\) 值，记录对应的漏极电流 \(ID\)。观察 \(ID\) 随 \(V{GS}\) 负向增大而减小的过程。
4. 确定 \(VP\)：当 \(ID\) 减小到一个近乎为零的极小值（例如小于10μA）时，记录下此时对应的 \(V{GS}\) 值，此绝对值即为该N沟道JFET的夹断电压 \(VP\)（通常记为负值，如-2.5V）。

实验步骤（以P沟道增强型MOSFET测量开启电压 \(V_{TH}\) 为例）

1. 电路搭建：注意电源极性反转。将MOSFET的源极（S）接至正电源（\(V{DD}\)，如+5V）；漏极（D）通过取样电阻接地；栅极（G）连接至另一路可调负电源（\(V{GG}\)）的负极，其正极接源极（即 \(V_{DD}\)）。电压表、电流表接法原理同前，但注意极性。
2. 初始设置：将 \(V{GG}\) 调至0V（即 \(V{GS}=0V\)），此时 \(I_D\) 应基本为零。
3. 数据测量：缓慢调节 \(V{GG}\)，使 \(V{GS}\) 向负方向逐渐增加（例如从0V到-8V）。每改变一个 \(V{GS}\) 值，记录对应的 \(ID\)。
4. 确定 \(V{TH}\)：观察 \(ID\) 从零开始出现的点。通常，定义当 \(ID\) 达到一个特定的微小电流值（例如50μA）时对应的 \(V{GS}\) 为开启电压 \(V_{TH}\)。记录此值（对于P沟道，其为负值，如-2.0V）。

数据处理与分析

1. 将每组实验数据记录在表格中，包含 \(V{GS}\) 和对应的 \(ID\)。
2. 分别绘制N沟道JFET的 \(ID - V{GS}\) 曲线和P沟道MOSFET的 \(ID - V{GS}\) 曲线。
3. 从曲线或数据中直接读取或通过插值确定各器件的夹断电压 \(VP\) 或开启电压 \(V{TH}\)。
4. 对比分析：

• 比较N沟道与P沟道器件控制电压的极性差异。规律：N沟道器件通常需要负的 \(V{GS}\)（JFET）或正的 \(V{GS}\)（增强型MOSFET）来关断或开启；P沟道则相反。

• 讨论测量值与器件典型值或标称值的差异，分析可能的原因（如测量误差、器件分散性、电路接触电阻等）。

注意事项

1. 安全第一：连接电路前确保电源关闭，接线完毕检查无误后再通电。调节电压时务必缓慢、平稳。
2. 极性确认：务必在实验前清晰识别所用场效应管的类型（N沟道/P沟道，JFET/MOSFET）以及管脚排列（G、D、S），连接电路时电源极性切勿接反，否则极易损坏器件，特别是MOSFET对静电和过压非常敏感。
3. 定义统一：明确实验中所测量的参数是夹断电压还是开启电压，并采用一致的判定标准（如 \(I_D\) 的临界值）。
4. 仪器精度：尽量使用数字表进行测量，以提高读数精度。

思考与讨论

1. 如果误将增强型MOSFET的开启电压测量方法用于JFET，会导致什么结果？为什么？
2. 在测量过程中，固定的 \(V{DS}\) 大小对测量结果有影响吗？应如何选择合适的 \(V{DS}\)？
3. 为什么MOSFET比JFET更需要防静电操作？

通过本实验的系统操作与数据分析，学生将能够深入理解场效应管的核心静态参数及其测量技术，为后续在模拟电路设计与应用中使用这些器件奠定坚实的实践基础。