School of MicroelectronicsXidian University实验实验14 MOS场效应晶体管场效应晶体管Kp、F的测试的测试School of MicroelectronicsXidian University实验目的和意义 MOS场效应晶体管是一类应用广泛的半导体器件 具有积体小，输入阻抗高，输入动态范围大，抗辐射能力强，低频噪声系数小，热稳定性好等优点。 制造工艺简单，集成度高，功耗小 通过了解电容-电压法测量半导体中杂质分布基本原理；学习函数记录仪、C-V测试仪的使用方法；学会制作肖特基结并用C-V法测量半导体中杂质分布。 了解MOSFET的Kp、F的测试原理；掌握测定方法，观察Kp、F 随工作电流、工作电压的变化关系。 School of MicroelectronicsXidian University功率增益测试原理 MOSFET Kp的测试 功率增益是MOSFET的重要参数，是指放大器输出端信号功率与输入端信号功率之比，其定义公式为： 式中：PO、Pi 分别为放大器输出，输入功率；Kp为功率增益值。 实际上检测PO、Pi有困难，根据MOSFET的等效电路，在输入输出共轭匹配时，推导的功率表示式可知：School of MicroelectronicsXidian University其中 ：由此可得到最佳功率增益表示式：由上式可见，Kp随频率增加而下降，器件的截止频率越高，功率增益值越大。 在实际测试中，功率增益的测试回路是指输入、输出端基本匹配的一对场效应管进行相对比较的一级高频放大器。当达到最佳匹配时，把求功率比值的问题转化成求电压比的问题来处理。就有公式 : 功率增益测试原理School of MicroelectronicsXidian University 测量Kp时，先使信号无衰减地进行校正，使指示器固定在某一点作为参考点。在测量时，调节测量回路的微调电容，使指示最大，并拔动档级衰减器使指针回到参考点。调节中和电路中的中和电容使指示最小，把测量，中和调节反复几次后，就可从挡级衰减器上读出功率增益值。功率增益测试原理School of MicroelectronicsXidian University MOS场效应管噪声来源和表示式 低频噪声：MOS器件低频噪声来源主要是l /f 噪声。大小与表面状态有关，它随使用频率升高而迅速降低，近似的与频率成反比。 沟道热噪声：由于MOS器件导电沟道都存在一定的电阻。当载流子运动时，产生的噪声电压，大小为： V=4KTfdR 诱生栅极噪声：高频下沟道热噪声电压还将通过栅电容耦合栅极上，并在栅极感应出噪声，这种通过电容耦合而诱生的噪声，叫做诱生噪声，大小为 :噪声系数F的测试原理School of MicroelectronicsXidian University MPSFET高频噪声表示式：高频MOSFET场效应管的噪声主要是沟道热噪声合诱生栅极噪声，这是两个相关的噪声源，但其相关性可以忽略，并可当作两个独立的噪声源来对待。由噪声公式可导出MOSFET 管的最小噪声系数为： 其中： 在实际中，由于界面态等原因产生的噪声也有可能扩展到高频段；同时还存在其它寄生因素产生的损耗，而实际噪声大于理论值。 噪声系数F的测试原理School of MicroelectronicsXidian University 在测量场效应管的噪声系数时，通常引入了与晶体管噪声系数定义相同的方法进行测量，即：测量回路输出端总的噪声功率与由于信号源内阻热噪声所引起的，在其输出端的噪声功率之比或者用输入端信噪比与输出端信噪比之比值： 测量这两种噪声功率比较困难，但将输出的信噪比固定，可将测试公式简化，给测试带来方便。由于:噪声系数F的测试原理School of MicroelectronicsXidian University因而 :若用分贝表示： F（dB）=10*lgIa （Pso/Pno=l）由上式可知，在取输出信噪比为1的条件下，场效应管的噪声系数在大小上正好与噪声二极管的直流分量相等。测量时先不加由噪声二极管产生的噪声，这时仪器内等效内阻产生的热噪声经放大后在接收机输出表上有一定指示，然后衰减3dB，相当于热噪声减少一半。最后加由噪声二极管产生的信号使输出表指针回到原来不衰减的位置处，这样可以保证输出信噪比等于 l 。 噪声系数F的测试原理School of MicroelectronicsXidian University MOS高频场效应管Kp、F 参数测试仪由主机，偏置电源组成。实验前首先熟悉操作步骤，方可测量。 准备工作： 把偏置电源放在主机上边，面板上的UDS 旋钮应放在“断”的位置，量程开关放在最小的一挡，UDS的套轴旋钮均应逆时针旋到头，然后可插上电源线，接通电源开关，此时指示灯发亮，预热20分钟。 把主机面板上的“噪声范围”开关置于断的位置，“测量参数”开关放Kp位置，接通电源开关，此时指示灯亮，预热20分钟。实验主要步骤School of MicroelectronicsXidian University 测量步骤： （1）根据需要测试的频率选取30MHz，100MHz的Kp、F 测试盒； （2）用较长两根同轴电缆线把测试盒与主机连接起来，主机上的输出接头与测试盒上的输入接头相连，主机上的输入接头与测试盒上的输出接头相连，测试盒上偏置电源插座与场效应管偏置电源上的插座通过一根二芯电缆线项连接。 （3）用一根较短的同轴电缆线一端与主机上的LT接头相接，另一端与测试盒相接。 （4）频率选择开关应置在同测试盒上频率相同的位置上。 （5）信号衰减器1、2的开关均应置0dB，即信号“衰减器1”的四只开关都扳实验主要步骤School of MicroelectronicsXidian University 测量步骤：向上方，参数测量开关置于Kp位置。 （6）转换开关置于校正处，此时调节信号调节旋钮，使A 表指示某一参考值（35格处），以信号调节不准在动，然后把转换开关置于测量处。 （7）插上被测管，调节电源面板上的UDS ，UGS 各旋钮开关，使UDS 、UGS 为所需值。 （8）调节测试盒上的输入调谐、输出调谐，输出匹配旋纽使 A指示最大，若指针超过满度，则应随时适当改变信号衰减器1、2使指针回到所取的参考点附近，接着进行中和调整，即把转换开关调到中和位置，调节测试盒上的中和实验主要步骤School of MicroelectronicsXidian University 测量步骤：调节，使A表指示最小，再把转换开关调到测量位置，重新调节输入调谐，输出调谐，输出匹配，特别是输出调谐和输出匹配，要相互减增地进行，反复调节，使A表指示最大，之后再进行中和调节A表指示最小，反复几次调到最佳状态；即当转换开关在测量时指示最大，而在中和时，指示最小。最后拨动信号衰减器使A表指针回到步骤（6）中规定的那个参考点附近，这时从信号衰减器 1、2读得的数之和就是被测管的功率增益值。 （9）测量F的方法 在测得Kp值的基础上，测试盒上各旋钮的位置保持不动、只把参数测量开关实验主要步骤School of MicroelectronicsXidian University 测量步骤：置于F位置，增益衰减器中3dB开关拨向上方、然后把增益衰减器中的5dB、10dB开关及增益调节，使A表指针在某一参考点（如35格处），然后再拨动增益衰减器中的3dB开关置下，衰减3dB，顺时针旋转噪声调节旋钮，使A表指针准确回到参考点位置，此时F 表头上的读数与噪声范围所指示值之和就是被测管的噪声系数。 当测完F参数后，应将噪声调节旋钮逆时针调回到头，3dB开关置于上，以便继续测试。实验主要步骤School of MicroelectronicsXidian University 在测量MOSFET管的功率增益时要求测量3 次求出平均值，并将测量值与手册中给出值比较、进行分析。 测量F 时，采用上述步骤求出噪声系数F的平均值，并对结果进行分析。 做K PIDS、FIDS 曲线，选点不少于15个，其密度根据实际情况自定。最后分析结果。 实验数据处理与分析School of MicroelectronicsXidian University 用自己的语言简述MOSFET 管KP ， F 的测试原理。 提高MOS管 KP 值和降低F 的措施各有什么办法？ 实验思考题School of MicroelectronicsXidian University 张屏英、周佐谟：，上海科学出版社，1985。 周琼鉴、孙肖子：，国防出版社，1979。 说明书，上海无线电仪器厂。实验参考资料