(完整word版)晶體管開關(guān)時(shí)間的測(cè)量

1、晶體管開關(guān)時(shí)間的測(cè)量晶體管開關(guān)時(shí)間是標(biāo)志晶體管開關(guān)特性的一個(gè)極其重要的參數(shù)。當(dāng)晶體管作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，其開關(guān)時(shí)間將直接影響電路的工作頻率和整機(jī)性能。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量雙極性晶體管的開關(guān)時(shí)間，熟悉開關(guān)時(shí)間的測(cè)試原理，掌握開關(guān)時(shí)間的測(cè)試方法、研究測(cè)試條件變化對(duì)晶體管開關(guān)時(shí)間的影響。、實(shí)驗(yàn)原理圖1是典型的NPN晶體管開關(guān)電路，圖中R和R分別為負(fù)載電阻和基極LB偏置電阻、-V和+V分別為基極和集電極的偏置電壓。BBCC圖1圖1晶體管開關(guān)電路示意圖圖2開關(guān)晶體管輸入.輸出波形當(dāng)基極無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，由于負(fù)偏壓V的作用，使晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集BB電極只有很小的反向漏電流即I通過(guò)，輸出電壓接近于電源電壓+V。此時(shí)C

2、EOCC晶體管相當(dāng)于一個(gè)斷開開關(guān)。當(dāng)給晶體管輸入正脈沖V時(shí)，晶體管導(dǎo)通。若晶體管處于飽和狀態(tài)，則輸B出電壓為飽和電壓V，集電極電流為飽和電流I。此時(shí)，晶體管相當(dāng)一個(gè)接CESCS通的開關(guān)。由圖2可以看出：當(dāng)輸入脈沖V加入時(shí)，基極輸入電流立刻增加到I、但BB1集電極電流要經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間才增加到I，當(dāng)輸入脈沖去除時(shí)，基極電流立CS刻變到反向基極電流I，而集電極電流也經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間才逐漸下降。B2如圖3所示。晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)一般是按照集電如圖3所示。晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)一般是按照集電V(t)t上升時(shí)間t：ri從0.1上升時(shí)間t：ri從0.11上升到0.91CSCSVCC存儲(chǔ)時(shí)間t：s從脈沖信號(hào)去除

3、到i下降CVCES極電流的變化來(lái)定義：C延遲時(shí)間/：從脈沖信號(hào)加入到上dC升到0.1I。CS下降時(shí)間t：i從下降時(shí)間t：i從0.9I下降到0.11fCCSCS圖3開關(guān)晶體管輸入、輸出電壓波形到0.9ICS其中t其中t+1即開啟時(shí)間t、t+1即關(guān)閉時(shí)間dronst，本實(shí)驗(yàn)所要測(cè)量的開關(guān)時(shí)間就是根據(jù)這個(gè)定義的開關(guān)時(shí)間，按這種定義方off法測(cè)量開關(guān)時(shí)間比較方便。當(dāng)晶體管作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，可以把晶體管看作是一個(gè)“電荷控制”器件，根據(jù)少數(shù)載流子連續(xù)性方程可以推導(dǎo)出電荷控制分析的基本方程dQQ門、bib（1）dbtn試中Q是存儲(chǔ)在基區(qū)中電子的總電荷，是基區(qū)中電荷壽命。根據(jù)延遲時(shí)間的定義，在延遲時(shí)間內(nèi)，發(fā)射結(jié)

4、偏壓將由-V上升到微導(dǎo)通電BB壓V（約0.5V），集電結(jié)反向偏壓由（V+V）減小到（V-V），這個(gè)過(guò)JOCCBBCCJO程是基極電流/對(duì)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電的過(guò)程。與此同時(shí)，基區(qū)將逐B(yǎng)1漸形成少子的濃度梯度。根據(jù)電荷控制分析的基本方程（1）可以寫出與延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)的電荷微分方程，經(jīng)過(guò)變換、數(shù)學(xué)處理，最終可得到延遲時(shí)間i，-，(0)i，-，(0)(1BB)DETEi(1n)VB1cDEVV-C(0)r(1CCBB-DETOi(1n)-cDCB1V1n(1產(chǎn))DEVV1nd-CJ)CDC(2)ITOC o 1-5 h z(1.7RC)ln(DeB1)DCrlTCI0.1IDCB1CS試中-、V

5、分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的接觸電勢(shì)差，n、n對(duì)于突變結(jié)和線性DEDCce緩變結(jié)分別為1/2和1/3。在上升時(shí)間/，基極驅(qū)動(dòng)電流繼續(xù)對(duì)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電使發(fā)射r結(jié)偏壓由上升到導(dǎo)通電壓（約0.7V），集電結(jié)反向偏差逐漸減小，使少子JOF濃度梯度不斷增加。此外，基極電流還要補(bǔ)充基區(qū)因復(fù)合而減少的電荷與。求延遲時(shí)間的方法類似，先寫出與上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的電荷方程，進(jìn)而可求得上升時(shí)間（3）t(1.7RC)ln(dcB1.O.l/（3）rDCLTCI0.91TOC o 1-5 h zrDCB1CS存貯時(shí)間主要是基區(qū)、集電區(qū)超量存貯電荷消失，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)電容放電的過(guò)程。由對(duì)應(yīng)的電荷微分方程推導(dǎo)的存貯時(shí)間為I

6、I1IItln(DCB1DCB2)(1.7RC)ln(DCB2CS)(4)ssIIDCLTCI0.9IDCB2CSTDCB2CS試中為存貯時(shí)間常數(shù)，對(duì)于WL的外延平面管，對(duì)于WL的sCPCsPCCPC外延平面管W2/2L，這里和L分別為集電區(qū)的少子壽命和擴(kuò)展長(zhǎng)度。sCpcPCpc1I0.9It（1.7RC）ln（dcb2c）（5）fDCLTCI0.1IrDCB2CS以上開關(guān)時(shí)間參數(shù)公式的詳細(xì)推導(dǎo)見參考資料1。由開關(guān)時(shí)間參數(shù)的表達(dá)式可以清楚地看到：開關(guān)時(shí)間既決定于C、C、TETCf、等晶體管本身的參數(shù)，也取決于I、I及I等外部電路參數(shù)。勢(shì)壘TDCB1B2CS電容的充放電、電荷的存貯和消失是影響開

7、關(guān)時(shí)間的內(nèi)因，而外電路對(duì)晶體管的注入和抽取是影響開關(guān)時(shí)間的外因。因此，除晶體管的材料、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)以外，測(cè)試或使用條件將對(duì)開關(guān)時(shí)間帶來(lái)顯著的影響。本實(shí)驗(yàn)除了測(cè)量晶體管在一定測(cè)試條件下的開關(guān)時(shí)間，還要改變測(cè)試條件，測(cè)出開關(guān)時(shí)間的變化，和理論分析結(jié)果進(jìn)行比較。測(cè)量雙極型晶體管開關(guān)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。由于受輸入脈沖前后沿的影響以及示波器頻寬的限制，此裝置只適用于測(cè)量開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)的晶體管。一般開關(guān)晶體管的開關(guān)時(shí)間都在毫微秒數(shù)量級(jí)為。了滿足這一高速測(cè)試的要求晶，體管、集成電路動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀BJ2961采用了先進(jìn)的數(shù)字化取樣技術(shù)。全機(jī)由“測(cè)試盒電路”、“毫微秒脈沖單元”、“取樣單元”、“摸數(shù)轉(zhuǎn)換”

8、及供電系統(tǒng)組成。可根據(jù)不同開關(guān)時(shí)間的部頒標(biāo)準(zhǔn)選用“測(cè)試盒電路”。圖5即測(cè)試儀方框圖。圖中毫微秒脈沖源的作用是提供被測(cè)晶體管的基極電流/和/,它采用脈沖頭B1B2穩(wěn)壓器穩(wěn)壓源雙蹤示波器脈沖發(fā)生器圖29.5EJ2茹1測(cè)試儀方框圖的輸出方式直接與測(cè)試盒連接，這樣不僅減少了脈沖波形的畸變而且提高了測(cè)試精度。脈沖源還將輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖。在脈沖的觸發(fā)下，“取樣單元”與通過(guò)取樣示波器一樣，將通過(guò)A、B穩(wěn)壓器穩(wěn)壓源雙蹤示波器脈沖發(fā)生器圖29.5EJ2茹1測(cè)試儀方框圖二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置在示波器上觀察晶體管輸入與輸出波形，讀出各開關(guān)時(shí)間參數(shù)。2、測(cè)量高頻管（如DG12）和低頻管或具有不同電流增益

9、的晶體管的開關(guān)時(shí)間，研究晶體管本身的參數(shù)對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響。3、改變外電路參數(shù)、/和I，測(cè)量晶體管的開關(guān)時(shí)間，研究測(cè)試條件B1B2C3變化對(duì)晶體管開關(guān)時(shí)間的影響。4、用BJ2961型晶體管、集成電路動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間。如果被測(cè)管為3DK4,其測(cè)試條件：I=10MA、I=100MA，測(cè)試結(jié)果和高頻管BC進(jìn)行比較。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、用圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量晶體管開關(guān)時(shí)間。將測(cè)試儀器按圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置連接，校準(zhǔn)個(gè)儀器。給被測(cè)管加上脈沖信號(hào)，觀察輸入、輸出波形，讀出晶體管四個(gè)開關(guān)時(shí)間參數(shù)及開啟和關(guān)斷時(shí)間。改變被測(cè)管和測(cè)試條件重復(fù)上面的測(cè)量。2、用BJ2961型晶體管、集成電路動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試

10、儀進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)試儀按圖5連接，其中測(cè)試盒是根據(jù)測(cè)試條件選取的。根據(jù)所測(cè)晶體管的極性、測(cè)試條件和開關(guān)時(shí)間的大致范圍，把“極性”、“電流量程”、“掃速量程”放在適當(dāng)?shù)奈恢谩?3)將“觸發(fā)-自激”旋鈕逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底，對(duì)于NPN晶體管，“觸發(fā)極性”應(yīng)放置在“+”，參數(shù)選取琴鍵放置在t、t或t中任一擋。sfoff開機(jī)預(yù)熱后調(diào)節(jié)示波器，使示波器上出現(xiàn)兩條掃描線。將被測(cè)晶體管插入測(cè)試盒。(6)將“電流指示”放置I，調(diào)節(jié)I。再將“電流指示”放置I，調(diào)節(jié)I，BBCC使?jié)M足測(cè)試條件。(7)調(diào)節(jié)“脈沖延時(shí)”和“延時(shí)”電位器，此時(shí)儀器應(yīng)出現(xiàn)被測(cè)管注入脈沖(信號(hào)源輸出脈沖)和被測(cè)管輸出脈沖波形。如示波器掃描量程不適合，

11、可調(diào)整“掃描量程”使此波形在示波器兩條掃線四個(gè)調(diào)輝點(diǎn)之間，如圖6(a)、(b)所示。圖中(a)表示NPN管測(cè)量t、t、t波形及sfoffPNP晶體管測(cè)t、t、t波形。圖6)表示NPN管測(cè)量t、t、tdrondron波形及PNP管測(cè)量t、t、t波形。sfoff(8)按動(dòng)琴鍵開關(guān)，可分別測(cè)量各開關(guān)時(shí)間參數(shù)。(9)將“測(cè)量區(qū)域”放置“開”的位置時(shí)，示波器上既對(duì)測(cè)量區(qū)域加亮。(10)數(shù)字部分采樣時(shí)，“采樣”指示燈亮，旋動(dòng)“顯示時(shí)間”旋鈕即改變數(shù)字部分采樣時(shí)間。四、數(shù)據(jù)處理和分析本實(shí)驗(yàn)測(cè)量雙極型晶體管的開關(guān)時(shí)間并測(cè)試條件變化對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響。需要記錄以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1、在雙蹤示波器上觀察到的輸入脈沖電壓和輸出電壓波形。2、在一定測(cè)試條件下，高頻管和開關(guān)管的延遲時(shí)間g、上升時(shí)間/、dr開啟時(shí)間/及存貯時(shí)間/、下降時(shí)間/、關(guān)閉時(shí)間才。onsfoff3、改變測(cè)試條件后，對(duì)各開關(guān)時(shí)間參數(shù)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。五、思考題1、測(cè)試條件變化對(duì)晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)帶來(lái)什么影響？為什么？如何改變測(cè)試條件？2、根據(jù)測(cè)試結(jié)果，比較晶體管各開關(guān)時(shí)間參數(shù)的大小，說(shuō)明影響晶體管開關(guān)時(shí)