實驗二 NMOS 與 PMOS 之直流特性
零件
CD4007 一枚；
精密電阻 1k 一枚；
電阻 30Ω 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。
CD4007UB 的說明：
這個實驗所用到的 MOSFET 編號是 CD4007UB，屬於 CD4000 系列。CD4000 系 列通常是 CMOS（即包括 PMOS 和 NMOS 電晶體）。CD4007 的接腳請查閱網頁元 件資料。有些電晶體源極（source）已經和基板（substrate）連在一起（例如 CD4007 的接腳 6、7、8），有些則沒有連在一起，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。
請注意！當我們對單一 FET 做測試時，接腳圖中的電源（腳 14）及接地（腳 7）
的指定是無意義的。
預習問題
1. 在本實驗中，需用到動態特性曲線的測試，請查閱上學期講義，實驗五程序 3 中，
動態特性曲線量測的方式，將接線圖畫出。
2. 請敘述加強型（Enhancement）PMOS 與 NMOS 的特性及畫出其輸出和轉移特性 曲線。
3. 在理想情況下，在飽和區內對一固定 VDS，做 IDSAT 對 VGS圖（IDSAT是在飽和區 中 IDS的值）。此曲線該是怎樣的圖形？請參考元件資料，查出我們使用的元件 圖形，此一圖表的 X 軸截距有何意義？
4. 請參考元件資料，查出 CD4007 中的 PMOS 與 NMOS 的 VT分別為多大？
5. 溫度的變化對 MOSFET 操作特性有何影響？請預測一下，當溫度變化時，特性 曲線會如何改變？
6. 根據 CD4007 的內部結構，他有三個 PMOS 和三個 NMOS，但其中各有一個 PMOS 和 NMOS 的源（D）極和汲（S）極不能互換使用，請問是哪一個？(請寫出接腳)
程序
＜1＞MOSFET 中之二極體
我們這裡要利用上學期實驗五的方法（程序 3 的動態特性曲線測試）來測試 PMOS p-
n- p+
n+
NMOS and PMOS in a CMOS IC n-substrate
pin-14 substrate for p-channel pin-7
substrate for n-channel
PMOS NMOS p-well
S G D S G D
IGS
VGS
VDS 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 成右圖的 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？
＜2＞NMOS 的操作曲線
1. 這裡是要量測在不同閘極偏壓（VGS） 下 IDS對 VDS的關係。將程序 1 動態量測 圖中之待測元件用右圖電路代替。VGS 利 用直流電源供應器提供，由 0V 掃到 8V，
每隔 0.5V 記錄 IDS對 VDS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 VDS均為正的。
A
or
B 1k
A
B
A
B
示波器的 X-Y模式 待測元件
訊號產生器
Ch1 Ch2
(14) (1)
(3)
(2) A
B
(A)
VGS 直 流 電 源
(7)
Vsub-S (5)
D
S (4) (3)G
A
B
2. 選取一個有明顯 IDS輸出的 VGS，在示波器上觀察 IDS對 VDS曲線（例如上圖之曲 線甲），利用冷卻劑或電熱吹風機改變 IC 的溫度，記錄 IDS-VDS曲線對溫度的關係。
3.將 Vsubstrate-S設為－2V（逆向偏壓），重複步驟 1。
＜3＞PMOS 的操作曲線
選擇一個 PMOS，重複程序 2 裡的步驟 1 及 3。但步驟 1 的 VGS 必須是負值，將
Vsubstrate-S設為＋2V（逆向偏壓），重複步驟 1。
＜4＞線性區的量測與臨界電壓 對於 NMOS 而言，VGS必須大於一定電 壓 值 （ 稱 VT， 臨 界 電 壓 或 threshold voltage），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 VDS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 VDS值，觀察 IDS對 VGS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 30Ω的小電阻，用來將 IDS
轉換為電壓訊號（Vy=IDS×30Ω）接到示波器的 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 VT。
1.對 Vsubstrate-S＝0、-1、-2、-3V，利用上述方法分別找出 VT。VT和 Vsubstrate-S有何關 係？
2. 在 V ＝0V 用吹風機將 IC 加熱，V 對 V 曲線如何變化？注意曲線與 X 軸 Vy
(~IDS)
VT VGS
+0.1V
Vx 0- 5V 訊 號 產 生 器
Vsub-S Vy
30Ω
的交點及交點附近的斜率。用冷卻劑把 IC 冷卻，結果如何？
問題與討論
2. 在程序 1 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？
3. (a)把程序 2 對不同 VGS所得之 IDS-VDS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 IDSAT 對 VGS圖（IDSAT是在飽和區中 IDS的值）。
該你所得到的是怎樣的圖形？並利用圖形找出臨界電壓，並由斜率求出 k 的大 小。
(c)比較(a)與(b)所得到的圖形，和預習報告中你所查到的資料，有何不同？由廠 商所提供元件的資料，你能估計出 k 的大小嗎？
4. 請比較由程序 2 與 4 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？
5. 溫度對 VT有何影響？解釋你的結果。
附錄
使用 MOS IC 之注意事項
MOS IC 是非常脆弱的，很容易受到靜電的破壞。你常常發現你只是用手拿了一 個 MOS 元件，走到麵包板然後插上，他竟然就壞了！就這麼簡單，MOS 被靜電給 幹掉了！
記住！在你將MOS IC 插入電路前，先用另外一隻手碰一下電路，將靜電放掉。
你知道嗎？對電路而言，你的身體好像一個 100pF 的電容和一個幾 K 歐姆的電 阻。在較乾燥的天氣，靜電可以把你充電到 10kV，是的！不要懷疑，一萬伏特的電 壓在你身上。空氣的游離（崩潰）電壓約 10kV/cm，有時候手指碰到門把前所產生 的火花就是靜電使空氣游離所導致的。而 MOS 閘極的崩潰電壓只有不到 100 伏特。
MOS 元件在運送或儲藏時，必須插在導電的泡棉或裝在導電的袋子中。你也必 須小心烙鐵和桌上的靜電，常將你自己的身體和處理的電路接地（你和地間最好串 接一個 1MΩ的電阻）。
有一些 MOS 元件會有閘極保護電路的設計，雖然會使得特性表現差一點，但被 靜電燒壞的機率卻小很多。有時候，你買到的 FET 接腳上有保護的金屬線或導電橡 皮筋，要到 FET 裝在電路後才能拆掉。
