實(shí)驗(yàn)1：BJT直流參數(shù)測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)一、用晶體管特性圖示儀測(cè)量晶體管的特性參數(shù)一、引言晶體管在半導(dǎo)體器件中占有重要的地位， 也是組成集成電路的基本元件。晶 體管的各種特性參數(shù)可以通過(guò)專用儀器-晶體管特性圖示儀進(jìn)行直接測(cè)量。了解 和測(cè)量實(shí)際的晶體管的各種性能參數(shù)不僅有助于掌握晶體管的工作機(jī)理，而且還可以分析造成各種器件失敗的原因，晶體管特性圖示儀是半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)線上最 常用的一種工藝質(zhì)量檢測(cè)工具。本實(shí)驗(yàn)的目的是：了解晶體管特性圖示儀的工作原理； 學(xué)會(huì)正確使用晶體管 特性圖示儀；測(cè)量共發(fā)射極晶體管的輸入特性、 輸出特性、反向擊穿特性和飽和 壓降等直流特性。二、晶體管特性圖示儀的工作原理和基本結(jié)構(gòu)晶體管的輸出特性曲線如圖1所示，這

2、是一組曲線族，對(duì)于其中任一條曲線, 相當(dāng)于lb =常數(shù)（即基極電流lb不變）。曲線顯示出集電極與發(fā)射極之間的電壓 Vcc增加時(shí)，集電極電流lc的變化。因此，為了顯示一條特性曲線，可以采用如 圖2所示的方法，既固定基極電流lb為：Eb -VbeI圖1共射晶體管輸出特性曲線(1)圖2共射晶體管接法在集電極到發(fā)射極的回路中，接入一個(gè)鋸齒波電壓發(fā)生器Ec和一個(gè)小的電阻Rc,晶體管發(fā)射極接地。由于電阻 R很小，鋸齒波電壓實(shí)際上可以看成是加 在晶體管的集電極和發(fā)射極之間。晶體管的集電極電流從電阻Rc上流過(guò)，電阻Rc上的電壓降就正比于Ic。如果把晶體管的C、e兩點(diǎn)接到示波管的x偏轉(zhuǎn)板上， 把電阻Rc兩端接到

3、示波管的y偏轉(zhuǎn)板上，示波器便顯示出晶體管的Ic隨Vcc變化 的曲線。（為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，電阻 Rc應(yīng)該很?。?。用這種方法只能顯示出一條特性曲線，因?yàn)榇藭r(shí)晶體管的基極電流 lb是固定不變的。如果要測(cè)量整個(gè)特性曲線族，則要求基極電流 lb改變?；鶚O電流lb的改變 采用階梯變化，每一個(gè)階梯維持的時(shí)間正好等于作用在集電極的鋸齒波電壓的周 期，如圖3所示。階梯電壓每跳一級(jí)，電流lb便增加一級(jí)。（每一級(jí)階梯的增幅 可根據(jù)不同的晶體管的做相應(yīng)的調(diào)整）。晶體管特性圖示儀便是按照上述原理設(shè)計(jì)的，它包括階梯電壓發(fā)生器（供基 極或發(fā)射極階梯波）、鋸齒波電壓發(fā)生器（供集電極掃描電壓）、x軸放大器、y 軸放大器、示

4、波管系統(tǒng)等組成，其單元作用如圖4所示。作用在垂直偏轉(zhuǎn)板上的 除Ic （實(shí)際上是IcRc）外，還可以是基極電壓、基極電流、外接或校正電壓。由 于x軸和y軸作用選擇的不同，在示波器熒光屏上顯示出的特性就完全不同。 例 如：若x軸作用為集電極電壓，y軸作用選擇集電極電流，得到晶體管的輸出特 性曲線；若x軸作用為基極電流，y軸作用選擇集電極電流，得到晶體管的電流 增益特性（即B特性）；若y軸作用為基極電流，x軸作用是基極電流，得到晶體管的輸入特性曲線。圖3階梯波和鋸齒波信號(hào)圖4圖示儀的原理方框圖三、晶體管特性圖示儀的使用方法為了不使被測(cè)晶體管和儀器損壞，在測(cè)試前必須充分了解儀器的使用方法和 晶體管的規(guī)

5、格，測(cè)試中，在調(diào)整儀器的各個(gè)選擇開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)換量時(shí)，必須注意使加于被測(cè)晶體管的電壓、電流（并配合功耗電阻）從低量程漫漫提高，直到滿足測(cè)量要求。以XJ4810A型晶體管特性曲線圖示儀為例，儀器操作程序如下：1、開(kāi)啟電源，預(yù)熱5分鐘。2、調(diào)整示波器：（1）拉一電源開(kāi)。（2）調(diào)整輝度到適中的亮度；（3）調(diào)整聚焦和輔助聚焦，使線跡清晰。（4）調(diào)整x、y移位，使光點(diǎn)停留在適于觀察的位置。3、基極控制面板調(diào)節(jié)（階梯調(diào)零與極性選擇）首先根據(jù)被測(cè)晶體管的類(lèi)型（npn或pnp）及接地方式（共基極或共發(fā)射極） 選取階梯極性，參考下表1。表1階梯極性選擇npnpnp發(fā)射極接地+基極接地+然后進(jìn)行階梯調(diào)零（即調(diào)整階梯信號(hào)

6、的起始級(jí)在零電位的位置） ：先將y軸 作用置于“基極電流或基極電源電壓”，階梯選擇置于0.01V/級(jí)，階梯作用為“重 復(fù)”，x軸作用置于集電極電壓（V/度）。調(diào)峰值電壓為10V，這時(shí)熒光屏上出現(xiàn) 階梯信號(hào)。將y軸放大器校正置于“零點(diǎn)”位置，調(diào) y軸移位，使基線位于零線上；再 將校正復(fù)位，使階梯信號(hào)零位至y軸零線上。這樣，零電位即被準(zhǔn)確校正。此外，將串聯(lián)電阻、階梯選擇（mA/級(jí)或V/級(jí)）調(diào)到預(yù)先需要的范圍，階梯 作用根據(jù)需要選擇重復(fù)、單族或關(guān)。4、集電極控制面板調(diào)節(jié)將集電極掃描全部旋鈕（峰值電壓范圍、極性、峰值電壓、功耗電阻）都調(diào)到預(yù)先需要的范圍。（極性選擇方法參考表一）5、顯示面板Y軸調(diào)節(jié)y軸

7、作用，將“毫安伏/度”開(kāi)關(guān)與“倍頻”開(kāi)關(guān)調(diào)到讀測(cè)需要的范圍。6、顯示面板X(qián)軸調(diào)節(jié)x軸作用，將“ V/度”開(kāi)關(guān)調(diào)到讀測(cè)需要的范圍。7、測(cè)試臺(tái)，將接地開(kāi)關(guān)按需要選擇，然后插上晶體管，然后調(diào)節(jié)峰值電壓等， 此時(shí)即有曲線顯示。再經(jīng)過(guò) y軸、x軸、階梯三部分的適當(dāng)修正，即可進(jìn)行 有關(guān)測(cè)量。9、測(cè)試完畢后關(guān)閉電源前，將集電極掃描的峰值電壓范圍調(diào)至 0 -20V、峰值電 壓至0、功耗電阻至1K左右，y軸作用“ mA/度”、x軸作用“ V/度”、基 極階梯信號(hào)“ mA/級(jí)”、階梯作用“關(guān)”，示波器的輝度減暗后，關(guān)閉整機(jī)電 源。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、熟悉儀器的各旋鈕和開(kāi)關(guān)的作用。2、按上面第三節(jié)的內(nèi)容要求，正確使用晶

8、體管圖示儀。2、判斷晶體管類(lèi)型（npn或pnp管），及各管腳所屬電極（基極、發(fā)射/集電極）3、根據(jù)被測(cè)量的晶體管的類(lèi)型和接地方式選擇 集電極電壓極性和階梯極性。4、調(diào)出正確的輸出特性曲線，確保管子類(lèi)型和管腳判斷是正確的。5、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量各直流參數(shù)值。五、測(cè)試內(nèi)容與讀測(cè)方法 （以C1815為例）1）、輸入特性曲線和輸入電阻R(2 )在共射晶體管電路中，輸出交流短路時(shí)，輸入電壓和輸入電流之比為 Ri，即B VCE端數(shù)它是共射晶體管輸入特性曲線斜率的倒數(shù)。例如需測(cè)C1815在Vce = 10V時(shí)5所示。各旋鈕位置為：010V0.11k Q （適當(dāng)選擇）正（+）正（+）電壓0 .1V/度某一工作點(diǎn)Q

9、的Ri值，晶體管接法如圖 峰值電壓范圍 功耗限制電阻極性（集電極掃描） 極性（階梯） x軸作用y軸作用階梯作用重復(fù)階梯選擇0.1mA/級(jí)測(cè)試時(shí)，在未插入樣管時(shí)先將x軸集電極電壓置于1V/度，調(diào)峰值電壓為10V，然后插入樣管，將x軸作用扳到電壓0.1V/度，即得Vce =10V時(shí)的輸入特 性曲線。這樣可測(cè)得圖6;以中間一條線為基準(zhǔn)，取相臨兩條線的電壓差 VbVbhiie和電流差 lb，根據(jù)lb(3)Vc -const可求出共發(fā)射極的輸入阻抗。改變VCE數(shù)值(2V、5V)，測(cè)量輸入電阻，看是否發(fā)生變化注意記錄數(shù)據(jù)時(shí)要記下各面板偏置情況，另最好將示波器圖形保存圖5晶體管接法圖6晶體管的輸入特性曲線在

10、共射電路中，輸出交流短路時(shí)管交流電流放大系數(shù)B。晶體管接法如圖峰值電壓范圍 功耗限制電阻 極性(集電極掃描) 極性(階梯)x軸y軸階梯選擇(2)輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線和 B輸出電流和輸入電流增量之比為共射晶體 5所示。旋鈕位置如下：010V0.11k 1正( +)正( +)集電極電壓2V/度集電極電流2mA/度0.02mA/ 級(jí)階梯作用重復(fù)調(diào)節(jié)峰值電壓得到圖7所示共射晶體管輸出特性曲線。再調(diào)節(jié)“級(jí)/族”增加到lc=10mA （如不到10mA，可改變基極階梯選擇及功耗電阻大?。?，此時(shí)讀 出集電極電壓Vc=1V時(shí)的lc和lb值，可求出B參數(shù)。Ic1 b Vc4V(3)用這種方法測(cè)得的只是一個(gè)晶

11、體管電流放大放大系數(shù)的總情況。實(shí)際上晶體管電流放大系數(shù)隨lc而變化，因此可以觀察一下lclb曲線：將X軸作用至T 極電流或基極電壓即得Vc=2V左右的lclb曲線（見(jiàn)圖8），該曲線上某一點(diǎn) 的（一定的lc）斜率即對(duì)應(yīng)lc下的B參數(shù)值，從斜率的大小就可以看到不同lc下放大系數(shù)的情況。圖7共射晶體管輸出特性圖圖8共射晶體管的轉(zhuǎn)移特性圖3）、反向擊穿電壓BVcbo、BVceo和BVebocb間的反向電壓值BVcbo 發(fā)射極開(kāi)路，集電極電流為規(guī)定值時(shí),BV ceo基極開(kāi)路,集電極電流為規(guī)定值時(shí),CE間的反向電壓值BVebo集電極開(kāi)路，發(fā)射極電流為規(guī)定值時(shí),EB間的反向電壓值理論上可推導(dǎo)出BVceo =

12、BVcBo/n1o對(duì)硅npn 管, n = 4。硅雙擴(kuò)散管的基區(qū)平均雜質(zhì)濃度 nB Nc，所以，一般 BVcboBVceoBVebo，一般 BVcbo心 BVebo BVceooC9013的BVcbo和BVceo的測(cè)試條件為lc=100卩A, Vebo的為Ie =100卩A。晶體管的接法如圖9示。旋鈕位置為:峰值電壓范圍0100 （測(cè) BVcbo，BVceo）010 （測(cè) BVebo）功耗電阻極性（集電極掃描）x軸550ki 1正（ +）集電極電壓：10V/度（測(cè)BVcbo，BVceo）集電極電壓：1V/度（測(cè)BVebo）y軸集電極電流0.1mA/度將峰值電壓調(diào)整到合適的值，即可得到圖 10所

13、示的值圖9測(cè)擊穿電壓時(shí)晶體管的接法10 30 50 roCT）（H）測(cè) B CBD10 2D 40 SO VCE測(cè)BV CE0圖10晶體管擊穿電壓測(cè)量值的示意圖4）、反向飽和電流（1）基極反向飽和電流ICBO集電極一基極反向飽和電流表示發(fā)射極開(kāi)路，c、b間加上一定 反向電壓時(shí)的反向電流。它實(shí)際上和單個(gè)PN結(jié)的反向電流是一樣的， 因此，它只決定于溫度和少數(shù)載流子的濃度。丨CBO不受發(fā)射極電流和 基極電流控制，它對(duì)電流放大無(wú)貢獻(xiàn)。ICBO過(guò)大的晶體管根本無(wú)法使 用， 顯 然， ICBO 越小越好。(2) 發(fā)射極基極反向飽和電流 IEBO 發(fā)射極基極反向飽和電流 IEBO 表示集電極開(kāi)路， e、b

14、間加上一定反向電壓時(shí)的反向電流。 構(gòu)成 IEBO 的原因與 ICBO 是類(lèi)同的 。 實(shí) 際上也是一個(gè) PN 結(jié)的反向電流。反 向飽和電流一般較小，故 電流表 量程選為200卩A。測(cè)量I eb o所要求的加在e、b間的電壓一般不高， 大約4 6V ,有些會(huì)大些，為便于讀數(shù)，選擇其量程為100V。電源 電壓為可調(diào)的。(3) 集電極發(fā)射集反向飽和電流 I CEOI CEO 表示基極開(kāi)路， ce 間加一定反向電壓時(shí)的 集電極電流。 由 于這個(gè)電流從集電區(qū)穿過(guò)基區(qū)流至發(fā)射區(qū)， 所以又叫穿透電流。當(dāng) c、 e 間 加上反向電壓后，反向電壓就加在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上， 即在發(fā)射結(jié)分配有正向電壓，集電結(jié)分配有反向

15、電壓，集電結(jié)在反向 電壓作用下，集電區(qū)的少數(shù)載流子空穴就要漂移到基區(qū)，它的 數(shù)量就 等于Icbo;另一方面，發(fā)射結(jié)在正向電壓作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流 子電子就要擴(kuò)散到基區(qū)，由于基極開(kāi)路，因此集電區(qū)的 空穴漂移到基 區(qū)后，不 能由基極外部電源補(bǔ)充電子與其復(fù)合，形成基極電流，而 只 能與發(fā) 射區(qū)注入基區(qū)的 電 子復(fù)合， 由此可見(jiàn)由發(fā)射區(qū)注入基區(qū) 的電 子， 為了 與由集電 區(qū) 到達(dá)基 區(qū)的 空 穴復(fù)合 而分出來(lái) 的 部分 剛好是 Icbo，其余大部分到達(dá)集電區(qū)。根據(jù)BJT電流分配規(guī)律：發(fā)射區(qū)每向 基區(qū)供給一個(gè)復(fù)合用的載流子，就要向集電區(qū)供給B個(gè)載流子，因此 到達(dá)集電極的電子數(shù)等于在基區(qū)復(fù)合的B倍。

16、于是發(fā)射極總的電流 為:I CEO =I CB O+ B I CBO=(1+ B )I CB O由 于 ICEo 比 ICBo 大得多， 測(cè)量起來(lái)較容易， 故常把測(cè)量 ICEO 作 為判斷 管子 質(zhì)量 的 重要依據(jù) 。 根 據(jù)上述分析,可得其 測(cè) 試電 路如圖 2.7 :電流表量程為200卩A，電壓表量程為100V，電源電壓為可調(diào) 的。5)、飽和壓降 VCES 和正向壓降 VBESVces和Vbes是功率管的重要參數(shù)，對(duì)開(kāi)關(guān)管尤其重要。Vces是共射晶體管飽和態(tài)時(shí)CE間的壓降。Vces的大小與襯底材料和測(cè)試 條件有一定的關(guān)系。Vbes是共射晶體管飽和態(tài)時(shí)B E間的壓降。一般硅管的 Vbes =0.70.8V, 鍺管的Vbes =0.30.4V。Vbes與芯片表面的鋁硅接觸情況有關(guān)，鋁硅合金不好， 或光刻引線孔時(shí)殘留有薄氧化層都會(huì)導(dǎo)致V BES過(guò)大。測(cè)試時(shí)，晶體管接法仍如圖5所示。當(dāng)測(cè)試條件為lc=10mA、IB=1mA時(shí), 圖示儀的旋鈕位置如下：峰值電壓范圍功耗電阻極性（集電極掃描） 極性（階梯）x軸y軸階梯信號(hào)選擇階梯信號(hào) 級(jí)/族050V0.51Kj正（+）正（+）集電極電壓0.05V/度集電極電流1mA/度0.1mA/ 級(jí)重復(fù)1000.050_ 150.250.5Vce調(diào)峰值電壓，使第10級(jí)（即第11根）曲線與lc=10