實驗目的
本實驗旨在通過實際操作，掌握測量N溝道與P溝道場效應管（FET）關鍵參數——夾斷電壓（對于結型場效應管JFET）或開啟電壓（對于金屬-氧化物半導體場效應管MOSFET）——的原理與方法。理解不同溝道類型場效應管的工作特性與電壓極性關系，并學會使用基本電子儀器進行參數測試。
實驗原理
場效應管是一種利用電場效應控制電流的半導體器件，主要分為結型場效應管（JFET）和金屬-氧化物半導體場效應管（MOSFET）兩大類。其核心特性由柵源電壓（\(V{GS}\)）控制漏極電流（\(ID\)）。
- 關鍵參數定義：
- 夾斷電壓（\(VP\)）：特指JFET的參數。當 \(V{GS}\) 達到此值時（對N溝道為負值，對P溝道為正值），導電溝道完全被“夾斷”，\(I_D\) 減小到一個極小值（接近零）。
- 開啟電壓（\(V{TH}\) 或 \(V{GS(th)}\)）：特指增強型MOSFET的參數。當 \(V{GS}\) 達到此閾值時（對N溝道為正值，對P溝道為負值），開始形成導電溝道，\(ID\) 從零開始顯著增加。
- 測量基本原理：通過構建一個簡單的共源極放大電路或直接測試電路，在固定漏源電壓（\(V{DS}\)）的條件下，緩慢調節 \(V{GS}\)，同時精確監測 \(ID\) 的變化。夾斷電壓或開啟電壓即對應 \(ID\) 趨近于零（對于JFET或耗盡型MOSFET）或從零開始出現微小恒定電流（對于增強型MOSFET，通常取 \(ID\) 為某一微小值，如50μA）時所對應的 \(V{GS}\) 值。
實驗器材
- N溝道JFET、P溝道JFET、N溝道增強型MOSFET、P溝道增強型MOSFET 各一只
- 可調直流穩壓電源（雙路輸出） 兩臺
- 數字萬用表 兩臺（用于測量電壓和電流）
- 電阻箱或固定電阻（如1kΩ）
- 面包板及連接導線 若干
實驗步驟（以N溝道JFET測量夾斷電壓 \(V_P\) 為例）
- 電路搭建：在面包板上搭建測試電路。將JFET的漏極（D）通過一個取樣電阻（如1kΩ）接至正電源（\(V{DD}\)，如+5V）；源極（S）直接接地；柵極（G）連接至另一路可調負電源（\(V{GG}\)）的負極，正極接地。將測量 \(ID\) 的電流表串聯接入漏極回路，測量 \(V{GS}\) 的電壓表并聯在G-S之間。
- 初始設置：將 \(V{GG}\) 調至0V，\(V{DD}\) 調至一個較小的固定值（例如3V，確保器件工作在線性區或飽和區均可，但需保持一致）。
- 數據測量：緩慢調節 \(V{GG}\)，使 \(V{GS}\) 向負方向逐漸增加（例如從0V到-5V），每改變一個 \(V{GS}\) 值，記錄對應的漏極電流 \(ID\)。觀察 \(ID\) 隨 \(V{GS}\) 負向增大而減小的過程。
- 確定 \(VP\)：當 \(ID\) 減小到一個近乎為零的極小值（例如小于10μA）時，記錄下此時對應的 \(V{GS}\) 值，此絕對值即為該N溝道JFET的夾斷電壓 \(VP\)（通常記為負值，如-2.5V）。
實驗步驟（以P溝道增強型MOSFET測量開啟電壓 \(V_{TH}\) 為例）
- 電路搭建：注意電源極性反轉。將MOSFET的源極（S）接至正電源（\(V{DD}\)，如+5V）；漏極（D）通過取樣電阻接地；柵極（G）連接至另一路可調負電源（\(V{GG}\)）的負極，其正極接源極（即 \(V_{DD}\)）。電壓表、電流表接法原理同前，但注意極性。
- 初始設置：將 \(V{GG}\) 調至0V（即 \(V{GS}=0V\)），此時 \(I_D\) 應基本為零。
- 數據測量：緩慢調節 \(V{GG}\)，使 \(V{GS}\) 向負方向逐漸增加（例如從0V到-8V）。每改變一個 \(V{GS}\) 值，記錄對應的 \(ID\)。
- 確定 \(V{TH}\)：觀察 \(ID\) 從零開始出現的點。通常，定義當 \(ID\) 達到一個特定的微小電流值（例如50μA）時對應的 \(V{GS}\) 為開啟電壓 \(V_{TH}\)。記錄此值（對于P溝道，其為負值，如-2.0V）。
數據處理與分析
- 將每組實驗數據記錄在表格中，包含 \(V{GS}\) 和對應的 \(ID\)。
- 分別繪制N溝道JFET的 \(ID - V{GS}\) 曲線和P溝道MOSFET的 \(ID - V{GS}\) 曲線。
- 從曲線或數據中直接讀取或通過插值確定各器件的夾斷電壓 \(VP\) 或開啟電壓 \(V{TH}\)。
- 對比分析：
- 比較N溝道與P溝道器件控制電壓的極性差異。規律：N溝道器件通常需要負的 \(V{GS}\)（JFET）或正的 \(V{GS}\)（增強型MOSFET）來關斷或開啟；P溝道則相反。
- 討論測量值與器件典型值或標稱值的差異，分析可能的原因（如測量誤差、器件分散性、電路接觸電阻等）。
注意事項
- 安全第一：連接電路前確保電源關閉，接線完畢檢查無誤后再通電。調節電壓時務必緩慢、平穩。
- 極性確認：務必在實驗前清晰識別所用場效應管的類型（N溝道/P溝道，JFET/MOSFET）以及管腳排列（G、D、S），連接電路時電源極性切勿接反，否則極易損壞器件，特別是MOSFET對靜電和過壓非常敏感。
- 定義統一：明確實驗中所測量的參數是夾斷電壓還是開啟電壓，并采用一致的判定標準（如 \(I_D\) 的臨界值）。
- 儀器精度：盡量使用數字表進行測量，以提高讀數精度。
思考與討論
- 如果誤將增強型MOSFET的開啟電壓測量方法用于JFET，會導致什么結果？為什么？
- 在測量過程中，固定的 \(V{DS}\) 大小對測量結果有影響嗎？應如何選擇合適的 \(V{DS}\)？
- 為什么MOSFET比JFET更需要防靜電操作？
通過本實驗的系統操作與數據分析，學生將能夠深入理解場效應管的核心靜態參數及其測量技術，為后續在模擬電路設計與應用中使用這些器件奠定堅實的實踐基礎。
