實驗九 NMOS 與 PMOS 之直流特性
零件
VP2410L，VN2410L 各一枚； 精密電阻 1k 一枚；
精密電阻 51Ω 一枚； 冷卻劑；
電熱吹風機（請自備）。
目的
1. 瞭解 NMOS 與 PMOS 之直流操作特性，並比較他們的異同。
2. 測試操作特性的溫度效應。
相關背景知識
1. MOSFET 的操作原理及分類。
2. NMOS 和 PMOS 的直流電流電壓特性。
VP2410L 和 VN2410L 的說明
：這個實驗所用到的MOSFET 編號是 VP2410L 和 VN2410L，前者是 PMOS，而後 者是NMOS 電晶體，他們的接腳圖請查閱元件資料庫的網頁。我們使用的這兩種電 晶體源極（source）已經和基板（substrate）連在一起，也有一些其他的電晶體源極
（source）和基板（substrate）沒有連在一起，我們可以根據需要來選擇用哪一個電 晶體。
這次實驗所使用的MOSFET 都是加強型的（enhancement），在 VGS=0 時，他們 應該是在截止區（OFF），即源極（source）和汲極（drain）間不導通。
程序
一、 MOS 中之二極體
我們這裡要利用實驗五的方法（程序3 的動態特性曲線測試）來測試 PMOS 和 NMOS 中D（汲）極和基板間二極體的特性。測量方法示意圖如下：
1. 我們先選一個 PMOS 來測試，閘極和源極連在一起以避免閘極浮接效應（floating gate effect），然後測量汲極與基板間 pn 接面的 IV 特性，即把上面測量方法圖中的 待測元件換成圖中的PMOS 電路。記錄示波器上的圖形，逆向偏壓時的崩潰電壓多 大？
2. 對 NMOS 重複上面步驟。請注意 PMOS 和 NMOS 的偏壓方向有何不同？
二、臨界電壓
這裡介紹一個簡易測試MOSFET 臨界電壓的方法。對加強型 NMOS 而言，所謂的 臨界電壓是指
V
GS大到剛好將電晶體啟動(turn on)的值，通常記做 VT或V
th。在 on 狀態的MOS，又依在靠近汲極的通道是否有載體存在，分為歐姆區（是）及飽和區（否）。假如將一個加強型 MOS 的 G 和 D 極短路，外加 DS 偏壓，則 MOS 只會 在截止(cut off)或飽和兩個狀態，而不可能進入歐姆區（為什麼？）。
1. 動態測量 NMOS 的臨界電壓 將NMOS 接成如右圖電路，
代替上面程序一中AB 間的 電路。
調整訊號產生器的DC offset 使得 NMOS 的 VDS>0。
示波器的 X-Y模式
Ch2
訊號產生器
R
Ch1D
1kΩ A
B
A
B
VP2410L A
B G D
S
A
B
VN2410L A
B D
G S
調整好以後，你可以在示波器看到類似下面的曲線，開始導通的電壓就是臨界電壓。
將圖形記錄下來。
再來接著測試溫度的影響。先用熱風槍加熱MOS，觀察圖形的變化，你是否可看出 臨界電壓及
k(transconductance parameter)的變化?再用冷卻劑將 MOS 冷卻，記錄變
化。2. 動態測量 PMOS 的臨界電壓
將步驟1 中的 NMOS 以 PMOS 取代，同樣將 G 和 D 短路，重複步驟 1。注意這裡
V
DS必須調成小於0。3. 直流測量 NMOS 的 k 與 VT
這裡要用DVM（數位電表）仔細的測量電流及偏壓。
電路如右圖，VDD由直流電源供應器提供，由 0V 慢慢 增加，利用DVM 測 R 的端電壓可得電流 ID，VGS =VDS 也可利用DVM 量得，紀錄 ID對
V
GS之關係。測到電流 為20mA 為止。先畫出
I
D對V
GS之關係，再以(ID)1/2對V
GS做圖，是否 為一條直線？由其x 軸的截距即可得到 VT，由斜率可推 知k。
4. 直流測量 PMOS 的 k 與 VT
這裡對PMOS 重複步驟 3 的實驗，注意電源的接法和 NMOS 不同。
-ID
V
GS =VDSV
T0
VN2410L A
B D
G S
V
DD 1kΩ精密 RVP2410L A
B D
G S
V
1kΩ精密 R
三、NMOS 的輸出特性曲線
1. 這裡是要量測在不同閘極偏壓（VGS） 下
I
DS對V
DS的關係。將程序1 動態量測 圖中 AB 間之待測元件用右圖電路代 替。VGS 利用直流電源供應器提供（注 意：電源供應器的接地要拿掉！！），由0V 掃到 3V，每隔 0.2V（必要時你可 以用其他的間隔）記錄
I
DS對V
DS的圖形（包括每一軸的單位），把他們畫在一起，可得到類似下面圖形。
注意！調整訊號產生器的
DC offset
使得V
DS均為正的。2. 選取一個有明顯 IDS輸出的
V
GS，在示波器上觀察I
DS對V
DS曲線（例如上圖之曲 線甲），利用液態氮或電熱吹風機改變IC 的溫度，記錄 IDS-V
DS曲線對溫度的變化。四、 PMOS 的操作曲線
選擇一個PMOS，重複程序四裡的步驟 1 及 2。但步驟 1 的 VGS
、V
DS必須是負值。五、線性區的特性
1.對於 NMOS 而言，VGS必須大於
V
T，D 極和S 極間才開始導通。當 VDS很小時，D 極和 S 極間像是一個電阻（電阻值由 VGS控制），在此操作區間，IDS和
V
DS成 正比，故稱為線性區或歐姆區。這個實驗 是要在線性區內，固定一個小的V
DS值，觀察
I
DS對V
GS的關係。測試電路圖如右：
訊號產生器的範圍設在 0-5V 間，用來提供 VGS，接到示波器的X 軸。在 S 極和接 地間串聯一個 51Ω的小電阻，用來將 IDS轉換為電壓訊號（Vy=IDS×51Ω）接到示波
I
DSV
DSVP2410L A
B
A
B G D
V
GS S51 0.3V
器的Y 軸輸入。你可以得到類似下面的圖：
由圖中可直接找出臨界電壓
V
T。由這個圖你是否能換算成DS 間電阻對 VGS的關係？注意51Ω造成的誤差。
2.用吹風機將 IC 加熱，Vy對
V
GS曲線如何變化？注意曲線與 X 軸的交點及交點附 近的斜率。用冷卻劑把IC 冷卻，結果如何？3. 將電晶體換為 PMOS，直流電源換為-0.3V，VGS必須小於0，重複上面步驟。
預習問題
1. 閱讀應電實驗室網頁元件資料庫中 VP2410L 和 VN2410L 的資料，我們用的是 TO-92 包裝的元件，請畫出他們的接腳。並查出他們的元件參數（k 與 VT）範圍。
2. 寫出 NMOS 和 PMOS 在線性區及飽和區的電流電壓特性方程式。
3. 為何將加強型 MOS 的 G 和 D 極短路，在 DS 間加偏壓，MOS 一定在截止或飽和 區操作？
問題與討論
1. 在程序一中，PMOS 和 NMOS 的 D 極和 substrate（和 S 短路）間的 I-V 曲線有 何不同？為什麼？
2. (a)把程序三、四中對不同 VGS所得之
I
DS-V
DS曲線畫在一起，標出線性區和飽和 區（或恆流區）。(b)在飽和區內對一固定 VDS，做
I
DSAT 對V
GS圖（IDSAT是在飽和區中I
DS的值）。 在理想情況下，此曲線該是怎樣的圖形？你所得到的是不是這樣？X 軸的截距有何 意義？3. 請比較由各程序所得之臨界電壓有何不同？用哪一種方法測臨界電壓比較好？
4. 溫度對 IDS及
V
T有何影響？解釋你的結果。2002/10/15
修訂 孫允武 中興物理Vy (~IDS)
