School of MicroelectronicsXidian University實驗實驗14 MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管Kp、F的測試的測試School of MicroelectronicsXidian University實驗?zāi)康暮鸵饬x MOS場效應(yīng)晶體管是一類應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體器件 具有積體小，輸入阻抗高，輸入動態(tài)范圍大，抗輻射能力強(qiáng)，低頻噪聲系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 制造工藝簡單，集成度高，功耗小 通過了解電容-電壓法測量半導(dǎo)體中雜質(zhì)分布基本原理；學(xué)習(xí)函數(shù)記錄儀、C-V測試儀的使用方法；學(xué)會制作肖特基結(jié)并用C-V法測量半導(dǎo)體中雜質(zhì)分布。 了解MOSFET的Kp、F的測試原理；掌握測定方法，觀察Kp、F 隨工作電流、工作電壓的變化關(guān)系。 School of MicroelectronicsXidian University功率增益測試原理 MOSFET Kp的測試 功率增益是MOSFET的重要參數(shù)，是指放大器輸出端信號功率與輸入端信號功率之比，其定義公式為： 式中：PO、Pi 分別為放大器輸出，輸入功率；Kp為功率增益值。 實際上檢測PO、Pi有困難，根據(jù)MOSFET的等效電路，在輸入輸出共軛匹配時，推導(dǎo)的功率表示式可知：School of MicroelectronicsXidian University其中 ：由此可得到最佳功率增益表示式：由上式可見，Kp隨頻率增加而下降，器件的截止頻率越高，功率增益值越大。 在實際測試中，功率增益的測試回路是指輸入、輸出端基本匹配的一對場效應(yīng)管進(jìn)行相對比較的一級高頻放大器。當(dāng)達(dá)到最佳匹配時，把求功率比值的問題轉(zhuǎn)化成求電壓比的問題來處理。就有公式 : 功率增益測試原理School of MicroelectronicsXidian University 測量Kp時，先使信號無衰減地進(jìn)行校正，使指示器固定在某一點作為參考點。在測量時，調(diào)節(jié)測量回路的微調(diào)電容，使指示最大，并拔動檔級衰減器使指針回到參考點。調(diào)節(jié)中和電路中的中和電容使指示最小，把測量，中和調(diào)節(jié)反復(fù)幾次后，就可從擋級衰減器上讀出功率增益值。功率增益測試原理School of MicroelectronicsXidian University MOS場效應(yīng)管噪聲來源和表示式 低頻噪聲：MOS器件低頻噪聲來源主要是l /f 噪聲。大小與表面狀態(tài)有關(guān)，它隨使用頻率升高而迅速降低，近似的與頻率成反比。 溝道熱噪聲：由于MOS器件導(dǎo)電溝道都存在一定的電阻。當(dāng)載流子運動時，產(chǎn)生的噪聲電壓，大小為： V=4KTfdR 誘生柵極噪聲：高頻下溝道熱噪聲電壓還將通過柵電容耦合柵極上，并在柵極感應(yīng)出噪聲，這種通過電容耦合而誘生的噪聲，叫做誘生噪聲，大小為 :噪聲系數(shù)F的測試原理School of MicroelectronicsXidian University MPSFET高頻噪聲表示式：高頻MOSFET場效應(yīng)管的噪聲主要是溝道熱噪聲合誘生柵極噪聲，這是兩個相關(guān)的噪聲源，但其相關(guān)性可以忽略，并可當(dāng)作兩個獨立的噪聲源來對待。由噪聲公式可導(dǎo)出MOSFET 管的最小噪聲系數(shù)為： 其中： 在實際中，由于界面態(tài)等原因產(chǎn)生的噪聲也有可能擴(kuò)展到高頻段；同時還存在其它寄生因素產(chǎn)生的損耗，而實際噪聲大于理論值。 噪聲系數(shù)F的測試原理School of MicroelectronicsXidian University 在測量場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)時，通常引入了與晶體管噪聲系數(shù)定義相同的方法進(jìn)行測量，即：測量回路輸出端總的噪聲功率與由于信號源內(nèi)阻熱噪聲所引起的，在其輸出端的噪聲功率之比或者用輸入端信噪比與輸出端信噪比之比值： 測量這兩種噪聲功率比較困難，但將輸出的信噪比固定，可將測試公式簡化，給測試帶來方便。由于:噪聲系數(shù)F的測試原理School of MicroelectronicsXidian University因而 :若用分貝表示： F（dB）=10*lgIa （Pso/Pno=l）由上式可知，在取輸出信噪比為1的條件下，場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在大小上正好與噪聲二極管的直流分量相等。測量時先不加由噪聲二極管產(chǎn)生的噪聲，這時儀器內(nèi)等效內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲經(jīng)放大后在接收機(jī)輸出表上有一定指示，然后衰減3dB，相當(dāng)于熱噪聲減少一半。最后加由噪聲二極管產(chǎn)生的信號使輸出表指針回到原來不衰減的位置處，這樣可以保證輸出信噪比等于 l 。 噪聲系數(shù)F的測試原理School of MicroelectronicsXidian University MOS高頻場效應(yīng)管Kp、F 參數(shù)測試儀由主機(jī)，偏置電源組成。實驗前首先熟悉操作步驟，方可測量。 準(zhǔn)備工作： 把偏置電源放在主機(jī)上邊，面板上的UDS 旋鈕應(yīng)放在“斷”的位置，量程開關(guān)放在最小的一擋，UDS的套軸旋鈕均應(yīng)逆時針旋到頭，然后可插上電源線，接通電源開關(guān)，此時指示燈發(fā)亮，預(yù)熱20分鐘。 把主機(jī)面板上的“噪聲范圍”開關(guān)置于斷的位置，“測量參數(shù)”開關(guān)放Kp位置，接通電源開關(guān)，此時指示燈亮，預(yù)熱20分鐘。實驗主要步驟School of MicroelectronicsXidian University 測量步驟： （1）根據(jù)需要測試的頻率選取30MHz，100MHz的Kp、F 測試盒； （2）用較長兩根同軸電纜線把測試盒與主機(jī)連接起來，主機(jī)上的輸出接頭與測試盒上的輸入接頭相連，主機(jī)上的輸入接頭與測試盒上的輸出接頭相連，測試盒上偏置電源插座與場效應(yīng)管偏置電源上的插座通過一根二芯電纜線項連接。 （3）用一根較短的同軸電纜線一端與主機(jī)上的LT接頭相接，另一端與測試盒相接。 （4）頻率選擇開關(guān)應(yīng)置在同測試盒上頻率相同的位置上。 （5）信號衰減器1、2的開關(guān)均應(yīng)置0dB，即信號“衰減器1”的四只開關(guān)都扳實驗主要步驟School of MicroelectronicsXidian University 測量步驟：向上方，參數(shù)測量開關(guān)置于Kp位置。 （6）轉(zhuǎn)換開關(guān)置于校正處，此時調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)旋鈕，使A 表指示某一參考值（35格處），以信號調(diào)節(jié)不準(zhǔn)在動，然后把轉(zhuǎn)換開關(guān)置于測量處。 （7）插上被測管，調(diào)節(jié)電源面板上的UDS ，UGS 各旋鈕開關(guān)，使UDS 、UGS 為所需值。 （8）調(diào)節(jié)測試盒上的輸入調(diào)諧、輸出調(diào)諧，輸出匹配旋紐使 A指示最大，若指針超過滿度，則應(yīng)隨時適當(dāng)改變信號衰減器1、2使指針回到所取的參考點附近，接著進(jìn)行中和調(diào)整，即把轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)到中和位置，調(diào)節(jié)測試盒上的中和實驗主要步驟School of MicroelectronicsXidian University 測量步驟：調(diào)節(jié)，使A表指示最小，再把轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)到測量位置，重新調(diào)節(jié)輸入調(diào)諧，輸出調(diào)諧，輸出匹配，特別是輸出調(diào)諧和輸出匹配，要相互減增地進(jìn)行，反復(fù)調(diào)節(jié)，使A表指示最大，之后再進(jìn)行中和調(diào)節(jié)A表指示最小，反復(fù)幾次調(diào)到最佳狀態(tài)；即當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在測量時指示最大，而在中和時，指示最小。最后撥動信號衰減器使A表指針回到步驟（6）中規(guī)定的那個參考點附近，這時從信號衰減器 1、2讀得的數(shù)之和就是被測管的功率增益值。 （9）測量F的方法 在測得Kp值的基礎(chǔ)上，測試盒上各旋鈕的位置保持不動、只把參數(shù)測量開關(guān)實驗主要步驟School of MicroelectronicsXidian University 測量步驟：置于F位置，增益衰減器中3dB開關(guān)撥向上方、然后把增益衰減器中的5dB、10dB開關(guān)及增益調(diào)節(jié)，使A表指針在某一參考點（如35格處），然后再撥動增益衰減器中的3dB開關(guān)置下，衰減3dB，順時針旋轉(zhuǎn)噪聲調(diào)節(jié)旋鈕，使A表指針準(zhǔn)確回到參考點位置，此時F 表頭上的讀數(shù)與噪聲范圍所指示值之和就是被測管的噪聲系數(shù)。 當(dāng)測完F參數(shù)后，應(yīng)將噪聲調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)回到頭，3dB開關(guān)置于上，以便繼續(xù)測試。實驗主要步驟School of MicroelectronicsXidian University 在測量MOSFET管的功率增益時要求測量3 次求出平均值，并將測量值與手冊中給出值比較、進(jìn)行分析。 測量F 時，采用上述步驟求出噪聲系數(shù)F的平均值，并對結(jié)果進(jìn)行分析。 做K PIDS、FIDS 曲線，選點不少于15個，其密度根據(jù)實際情況自定。最后分析結(jié)果。 實驗數(shù)據(jù)處理與分析School of MicroelectronicsXidian University 用自己的語言簡述MOSFET 管KP ， F 的測試原理。 提高M(jìn)OS管 KP 值和降低F 的措施各有什么辦法？ 實驗思考題School of MicroelectronicsXidian University 張屏英、周佐謨：，上?？茖W(xué)出版社，1985。 周瓊鑒、孫肖子：，國防出版社，1979。 說明書，上海無線電儀器廠。實驗參考資料