MOS 管基本特性测试 一、实验目的 1、熟悉电路的测试方法 2、观察 MOS 管的主要特性 二、实验步骤及原理分析 1、电路图的绘制 绘制的电路原理图如图一所示： 值得注意的是应将 NMOS 的衬底接地（GND），而相应的应将 PMOS 的衬底接 电源（VDD），这样不仅能消除体效应，而且能够减弱闩锁效应（在 NMOS 实现中 并不存在）。 图一 实验原理图 2、MOS 管的输出特性 输出特性就是漏源电压 DSv 与输出电流 DI 的关系。如图一所示，可以通过对 DSv (即 V1)作连续的扫描，本实验中从 0 扫描到 15V，这样就可以得到输出特性 I 曲线 D v 。为了得到一组输出特性曲线，可将栅源电压 GSv 按一定的步进变化， DS 在这里， GSv 的取值分别为 3V，6V，9V，12V，15V。 得到输出特性曲线如图而所示： 

图二 输出特性曲线 如图二所示，可将输出特性曲线分为三个区间： V 1）截止区： GS V th V 此时，由于 GS V ，MOS 管处于截止状态，故输出电流 th DI  。 0 V 2）三极管区： GS V V ， DS th  V GS  V th 此时，输出电流为 I D  n C ox W L (( V GS  ) V V th DS  1 2 V DS 2 ) 从电流方程及输出特性曲线可知，在此区间输出电流 DI 与漏源电压 DSv 成二 次关系。 V 3）饱和区： GS V V ， DS th  V GS  V th 此时，输出电流为 I D C  n 1 2 W L ox ( V GS  V th 2 ) 从电流方程及输出特性曲线可知，在此区间输出电流 DI 与漏源电压 DSv 基本 无关。这是在理想情况下，输出电流 DI 与漏源电压 DSv 基本无关。而实际 MOS 管 在饱和区的输出特性曲线还应考虑 DSv 对沟道长度 L 的调制作用，当 GSv 固定， DSv 增加时， DI 会有所增加。考虑到沟道长度调制效应，上式可修正为： I D  1 2  n C ox W L ( V GS  V th 2 ) (1  V  DS ) 

其中，为沟道长度调制系数。对典型器件，的值可近似表示为   0.1V L  1 。 3、MOS 管的转移特性 转移特性是输出电流 DI 对输入电压 GSv 的关系。注意设置纵轴为漏级电流 DI ， 横轴为输入电压 GSv 。 如图三所示为 MOS 管的转移特性曲线，输入电压 GSv 的扫描范围为 0 到 5V。 由图三可以看出开启电压 thV V 。 1 图三 MOS 管转移特性 当改变 DDV ( )DSV 即漏源 时，得到一组转移特性曲线如图四所示。对图四特性 中弯曲现象解释： V 1)当 GS 1 V V（ th thV ）时，MOS 管处于截止状态，输出电流 DI 为 0； V 2)当 GS V 时，MOS 管导通，随着输入电压 GSv 的增大，输出电流 DI 也增大， th 故在电压为 1V 处曲线产生弯曲。 

图四 一组转移特性曲线 4、输出特性和 W/L 之间的关系 为了了解输出特性与 W/L 之间的关系，可以通过改变 W/L，作出一组输出特 I 性曲线 D v 。如图五所示，把 W/L 作为变量 param，然后对漏源电压从 0V 扫 DS 描到 12V，进而得到一组 W/L 与输出特性的关系曲线。其中，每条曲线从下到上 的 W/L 分别为 1.5um、6.5um、11.5um、16.5um、21.5um、26.5um、31.5um、36.5um、 41.5um、46.5um。 图五 输出特性和 W/L 之间的关系 可以利用饱和电流公式 I D C  n 1 2 W L ox ( V GS  V th 2 ) 知，输出电流 DI 与 W/L 成正 比。同时从图五曲线也可以看出，当 W/L 逐渐增大时，输出电流 DI 也逐渐增大。 5、跨导 mg 与 W/L 的关系 通过修改 MOS 管的 W/L，得到一组转移特性曲线如图六所示。其中，每条曲 线从下到上的 W/L 分别为 1.5um、6.5um、11.5um、16.5um、21.5um、26.5um、 31.5um、36.5um。栅源电压的扫描范围为 0 到 25V。 

从曲线可以看出，当 图六 转移特性与 W/L 的关系 GSv 1 V 时，输出电流为 0；当 GSv 逐渐增大时，输出电 流也逐渐增大，直到基本不变。从另一个角度看，随着 W/L 逐渐增大，转移特性 曲线的斜率也逐渐增大，也即是说：在相同的栅源电压 GSV 下，随着 W/L 逐渐增 大，跨导 mg 逐渐增大；但是当 GSv 20 V 左右时，斜率几乎为 0，即 mg 约为 0。 V 这也可以从理论上分析，当 GS g 变。1）在饱和区， 正比，也即是说，当 W L m g 这与图六相稳合。2）在线性区， m 跨导 mg 仍与 W L 成正比。 th V 时，输出电流 DI 显著增大，最终基本不  ，从该等式可以看出，跨导 mg 与 W V th L 成 )  n C ox W L ( V GS 增大时，跨导 mg 也增大，转移特性曲线的斜率也增大。  n C ox W L V DS ，此时输出电流基本不变，但 三、实验总结 通过本次实验，学会了测试 MOS 管的输出特性及转移特性的基本方法。同时 也进一步理解了 MOS 管的基本特性。例如，MOS 管的工作状态的分析，MOS 管输 出特性和 W/L 之间的关系，跨导 mg 与 W/L 的关系。主要结论有： 1、MOS 管的三个工作区：线性区、饱和区、截止区及对应的输出电流 DI 与 输入电压的关系。 2、输出电流 DI 与 W/L 成正比，即当 W/L 逐渐增大时，输出电流 DI 也逐渐增 大。 3、 在相同的栅源电压 GSV 下，随着 W/L 逐渐增大，跨导 mg 逐渐增大。