微電子器件實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(實(shí)驗(yàn)3)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)名稱：實(shí)驗(yàn)三晶體管開關(guān)時(shí)間的測量 學(xué)時(shí)安排：4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類別：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求：必做一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、測量雙極型晶體管的開關(guān)時(shí)間；2、熟悉開關(guān)時(shí)間的測試原理、掌握開關(guān)時(shí)間的測試方法3、研究測試條件變化對晶體管開關(guān)時(shí)間的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理介紹圖7.1是典型的NPN晶體管開關(guān)電路，圖中Rl和RB分別為負(fù)載電阻和基極偏置電阻-VBBL B BB

和+VCC分別為基極和集電極的偏置電壓。如果給晶體管基極輸入一脈沖信號Vb，基極和集電極電流ib和i的波形如圖7.2所示。bbc當(dāng)基極無信號輸入時(shí)，由于負(fù)偏壓VBB的作用，使晶體管處于截至狀態(tài)，集電極只有很小BBTOC\o"1-5"\h\z的反向漏電流即ICEO通過，輸出電壓接近于電源電壓+VCC。此時(shí)晶體管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。CEO CC當(dāng)給晶體管輸入正脈沖Vb時(shí)，晶體管導(dǎo)通。若晶體管處于飽和狀態(tài),則輸出電壓為飽和電壓VCES，集電極電流為飽和電流4s。此時(shí)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開關(guān)。由圖7.2可以看出：當(dāng)輸入脈沖Vb加入時(shí)，基極輸入電流立刻增加到IB1、但集電極電流要b B1經(jīng)過一段延遲時(shí)間才增加到ICS，當(dāng)輸入脈沖去除時(shí)，基極電流立刻變到反向基極電流IB2,而CS B2集電極電流也經(jīng)過一段延遲時(shí)間才逐漸下降。晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)一般是按照集電極電流i的變化來定義：C延遲時(shí)間厶：從脈沖信號加入到Z上升到0?17CS。TOC\o"1-5"\h\zd c Cs上升時(shí)間t：Z從0?1ZCS上升到0.9ZCSorc CS CS存貯時(shí)間t：從脈沖信號去除到i下降到0.9ICSos c CS下降時(shí)間tf：ic從0.9ICS下降到0.1ICSo其中td+t即開啟時(shí)間t、t+tf即關(guān)閉時(shí)間如，本實(shí)驗(yàn)所測量的開關(guān)時(shí)間就是根據(jù)這種定義的開dr onsf off關(guān)時(shí)間，按這種定義方法測量開關(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dQdt-b7.1dQdt-b7.1）式中Qb是貯存在基區(qū)中電子的總電荷，Tn是基區(qū)中電子壽命。根據(jù)延遲時(shí)間的定義，在延遲時(shí)間內(nèi)，發(fā)射結(jié)偏壓將由-VBB上升到微導(dǎo)通電壓VJO（約0.5V）,BB JO集電結(jié)反向偏壓由（VCc+VBb）減少到（Vcc-Vjo），這個(gè)過程是基極電流IB1對發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢壘電容充電的過程。與此同時(shí)，基區(qū)將逐漸形成少子的濃度梯度。根據(jù)電荷控制分析的基本方程7.1）可以寫出與延遲時(shí)間對應(yīng)的電荷微分方程，經(jīng)過變換、數(shù)學(xué)處理，最終可得到延遲時(shí)間VC （0）—DE TEVC （0）—DE TE—I （1-n）B1 eV—BBVDEV—JOVDEVC（0）—DE TE—I（1-n）B1cV+V）—CC B^V丿DCV-V）1-n―CC J^V丿DC7.2）DCDC―B1 pI-0.11DCB1 CSp6+1.7RC ）lnDCT LTC式中VDE、VDC分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的接觸電勢差，n、n對于突變結(jié)和線性緩變結(jié)分別為1/2DEDC ec和1/3。在上升時(shí)間t，基極驅(qū)動(dòng)電流繼續(xù)對發(fā)射結(jié)、集電結(jié)勢壘電容充電，使發(fā)射結(jié)偏壓由VJOr JO上升到導(dǎo)通電壓冬（約0.7V）,集電結(jié)反向偏壓逐漸減少，使少子濃度梯度不斷增加。此外，F(xiàn)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)間對應(yīng)的電荷微分方程，進(jìn)而可求得上升時(shí)間t=PrDCt=PrDC(1)(pI-0.1I)+1.7RCln—DCB1 CS-r LTC丿(pI-0.91丿DCB1CS7.3)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)電容放電的過程。由對應(yīng)得電荷微分方程推導(dǎo)的存貯時(shí)間為t=Tt=TInsS邙I+pI)r1rpI+1)―DCBl DCB2+p-+1.7RCln DCB2 CS—(pI+1JDC CO 丿DCLTCJ(pI+0.91 丿7.4)式中Ts為存貯時(shí)間常數(shù)，對于WC>LPC的外延平面管T=T，對于WC<<LPC的外延平面s CPC sPC C PC=W2'2L“管，這里t卩。和Lpc分別為集電區(qū)的少子壽命和擴(kuò)散長度。下降時(shí)間即上升時(shí)間的逆過程，用同樣的方法可得r1 )r1 )+0.91)+1.7RCln(rpI—DCB2 CS(?LTC丿(pI+0.1I J=PDC7.5)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Cte'Ctc'^t、生c等晶體管本身的參數(shù)，也取決于IB1、IB2及ICS等外部電路參數(shù)。勢壘電容的充放電、電荷的存貯和消失是影響開關(guān)時(shí)間的內(nèi)因，而外電路對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)外，測試或使用條件將對開關(guān)時(shí)間帶來顯著的影響。本實(shí)驗(yàn)除了測量晶體管在一定測試條件下的開關(guān)時(shí)間，還要改變測試條件，測出開關(guān)時(shí)間的變化，和理論分析結(jié)果進(jìn)行比較。我們所使用的測量雙極型晶體管開關(guān)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)裝置是BJ2961A智能型晶體管開關(guān)參數(shù)測試儀，是測量1瓦以下NPN型或PNP型晶體開關(guān)三極管動(dòng)態(tài)參數(shù)的專用儀器，它由取樣電路毫微秒脈沖信號發(fā)生器、緩沖電路、A/D轉(zhuǎn)換及顯示部分、測試盒及電源等電路組成。本儀器可測量晶體三極管下列參數(shù)：td：晶體三極管的延遲時(shí)間dtr：晶體三極管的上升時(shí)間rt:晶體三極管的開啟時(shí)間onts：晶體三極管的貯存時(shí)間stf：晶體三極管的下降時(shí)間tf/晶體三極管的關(guān)閉時(shí)間off儀器工作原理：本儀器由下列部分組成：a、 取樣示波器部分：它將被測器件的輸入信號（以下簡稱A信號）和輸出信號（以下簡稱B信號）經(jīng)“取樣”復(fù)雜處理后，原A、B高頻信號在時(shí)間上等效為低頻信號經(jīng)緩沖電路供給A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)通過鍵盤和接口電路進(jìn)行數(shù)字化處理。電路主要包括：QA、B通道探頭：采保A、B信號的取樣點(diǎn)電平。取樣示波器的水平部分：它由信號源“前置脈沖”觸發(fā)。產(chǎn)生掃描斜波和快斜波、步進(jìn)延遲脈沖等電信號。由計(jì)算機(jī)接口電路來的控制信號可改變大斜波的幅度或快斜波的斜率從而改變示波器的“等效掃速”量程。Q取樣脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生高速開門脈沖，垂直通道的展寬門脈沖及A、B垂直通道的前級放大電路。垂直通道部分電路：經(jīng)過采保來的微弱信號展寬放大。b、 脈沖信號發(fā)生器：脈沖信號發(fā)生器由前級部分和后級部分組成。前級部分由振蕩電路、前置脈沖電路，延遲電路等組成。由計(jì)算機(jī)來的控制信號通過接口可以改變前級輸出脈沖對前置脈沖的延遲。末級電路在專用的“正負(fù)極脈沖頭”內(nèi)，它由電纜線接在儀器B屜“脈沖輸出”插座上，由脈沖前級觸發(fā)，由計(jì)算機(jī)控制極性，脈沖末級輸出前沿為2ns的正負(fù)脈沖。C、緩沖比較電路：A、B取樣發(fā)大后的信號，在此緩沖為適應(yīng)A/D數(shù)字處理的電平和幅值。d、A/D轉(zhuǎn)換及顯示部分：本模塊的功能是將A、B信號在一定時(shí)序的控制進(jìn)行采樣，A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入微機(jī)內(nèi)存，以供軟件處理。原理說明：A、B信號經(jīng)采樣保持后，由模擬開關(guān)進(jìn)行切換，依次送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。時(shí)序控制器根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號STS產(chǎn)生DMA申請信號DRQ,以申請DMA傳送。DMA響應(yīng)信號DACK到來后，時(shí)序控制器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送上微機(jī)總線，DMA控制器讀走數(shù)據(jù)以后，時(shí)序控制器即控制下一信號的A/D轉(zhuǎn)換及DMA傳送。這樣高速運(yùn)轉(zhuǎn)，周而復(fù)始，便可將A、B信號數(shù)字化便于軟件處理。圖7.3功能框圖e、 接口電路：提供了從3E0到3E7,8個(gè)I/O口，以控制其它單元的量程轉(zhuǎn)換、參數(shù)轉(zhuǎn)換，也可讀回鍵盤的鍵值。f、被測晶體管電源：被測晶體管電源VB、VC由本儀器B屜面板上琴鍵開關(guān)控制，配合相應(yīng)的BC測試盒，為被測晶體管提供IB、IC電流。注意琴鍵開關(guān)所處電流位置必須與所使用測試盒電流值一致。g、 IB、IC電流表：電流表為3入數(shù)字表頭，分別指示IB、IC電流，電流單位為mA。當(dāng)測試晶BC2BC體管t、tf、tff三個(gè)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)電流表旁的“IB調(diào)節(jié)”、“IC調(diào)節(jié)”電位器可預(yù)置IB、IC電流sfoff B C BC值。h、 測試盒：本儀器備有五個(gè)測試盒，根據(jù)所測管的測量條件進(jìn)行選用，五個(gè)測試盒分別為：I’=Ic=1mA /=10mAB1B2CI=I=3mA I=30mATOC\o"1-5"\h\zB1 B2 CI=I=10mA I=100mA\o"CurrentDocument"B1 B2 CIB1=IB2=30mA IC=300mAI=I=50mA I=500mA\o"CurrentDocument"B1 B2 C三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹儀器的整機(jī)框圖

ACoR50REC2沖出R|2RhCO貶樣示波器脈沖源前級lc顯示器脈沖信號發(fā)主谿末級衰減器ACoR50REC2沖出R|2RhCO貶樣示波器脈沖源前級lc顯示器脈沖信號發(fā)主谿末級衰減器輔發(fā)輸入水平逋道収樣脈沖發(fā)生器X-垂直逋道AB緩沖電路>&轉(zhuǎn)換電路計(jì)管機(jī)接口電賂鍵盤圖7.4整機(jī)框圖儀器的連接：將儀器的四部分（A屜、B屜、測試盒、正負(fù)極性脈沖頭）按下圖連接在一起。

圖7.5儀器連接圖注意：B屜琴鍵開關(guān)所選擇的測試條件應(yīng)與所選用的測試盒相統(tǒng)一。使用說明書一、概述BJ2961A型晶體管開關(guān)參數(shù)測試儀是專門用于測試1瓦以下的NPN型和PNP型晶體開關(guān)三極管動(dòng)態(tài)參數(shù)的專門儀器，它采用通用微機(jī)控制，用CRT代替以往的示波管，圖形顯示清晰穩(wěn)定，測試結(jié)果也可以接打印機(jī)輸出。二、面板說明1.A屜按鍵門一上下左右鍵，可移動(dòng)所選參數(shù)或功能。確認(rèn)確認(rèn)鍵，對所選參數(shù)或功能的確認(rèn)2.B屜按鍵琴鍵分別有五個(gè)測試條件提供選擇。三、屏幕說明1.主菜單開機(jī)后屏幕上顯示的菜單即為主菜單，有六個(gè)選項(xiàng)：“管序號”、“參數(shù)”、“掃速”、“圖形分析”、“打印”、“幫助”，按面板上的“f”“J”鍵確認(rèn)。2.子菜單A、 管序號按“f”“J”鍵移動(dòng)選項(xiàng)按鈕到“管序號”，按“—”“f”鍵可以改變被測管的序號，管子的測試結(jié)果按序號自動(dòng)存儲，相同序號的管子只存儲最新的測試結(jié)果。按'確定”鍵進(jìn)入“管極性”子菜單，屏幕右上方彈出“管極性”的選項(xiàng)“NPN”“PNP”，根據(jù)被測的型號按'T“J”鍵選擇，按“確認(rèn)”鍵確認(rèn)并退回到主菜單。B、 參數(shù)儀器可測得參數(shù)有六個(gè)：td、tr、t°n、ts、tf、t°ff，按“f”“J”鍵移動(dòng)選項(xiàng)按鈕到“參數(shù)”，按'確定”鍵進(jìn)入“參數(shù)”子菜單，按“f”“J”鍵選擇測試td、t、t或t、tf、tff,相應(yīng)的選項(xiàng)彈起，按，確dronsfoff定”鍵確認(rèn)測試參數(shù)并退回到主菜單。C、 掃速掃速共分20nS/cm,50nS/cm,100nS/cm,200nS/cm四檔，按“f”“J”鍵移動(dòng)選項(xiàng)按鈕到“掃速”，屏幕右上方彈出“掃速”的四個(gè)選項(xiàng)，按'T“J”鍵選擇不同掃速，按“確定”鍵確認(rèn)并退回到主菜單。D、 圖形分析該選項(xiàng)可定量分析測試曲線，按“f”“J”鍵移動(dòng)選項(xiàng)按鈕到“圖形分析”，按“確定”鍵后屏幕的圖形顯示區(qū)域顯示測試曲線，用亮線標(biāo)出A、B曲線的10%點(diǎn)，90%點(diǎn)以及td、t、t或t、dronst、tff計(jì)算方法。foffE、 打印該選項(xiàng)可將測試結(jié)果輸出到打印機(jī)，按“f”“J”鍵移動(dòng)選項(xiàng)按鈕到“打印”，按“確定”鍵進(jìn)入“打印”一級子菜單，屏幕右上方彈出“打印”的四個(gè)選項(xiàng)：“START”、“END”、“打印”、“返回”。START：按“—“J”鍵可以改變打印的起始管序號。END：按“―“J”鍵可以改變打印的終止管序號，注意終止管序號應(yīng)比起始管序號大。打?。哼B接好打印機(jī)后，按“確定”鍵即可將從START到END的管子測試結(jié)果打印出來。返回：按“確定”鍵返回主菜單。F、 幫助按“f”“J”鍵移動(dòng)選項(xiàng)按鈕到“幫助”，按“確定”鍵后屏幕上顯示出儀器的操作說明書，按“f”“J”鍵翻頁，按“確認(rèn)”鍵返回主菜單。圖形顯示區(qū)域屏幕中間的網(wǎng)絡(luò)部分是圖形顯示區(qū)域，上部為B曲線顯示區(qū)域，下部為A曲線顯示區(qū)域，X軸是時(shí)間軸，每格代表的時(shí)間由掃速?zèng)Q定，區(qū)域右頂部顯示當(dāng)前的掃速，例：當(dāng)前的掃速是50nS/cm，表示每格代表的時(shí)間是50nS，區(qū)域左頂部顯示當(dāng)前管子的型號（NPN或PNP）。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟將儀器的四個(gè)部分（A屜、B屜、測試盒、正負(fù)極性脈沖頭）按圖7.5所示接好。根據(jù)選用的測試盒按下B屜相應(yīng)的琴鍵開關(guān)，注意：琴鍵開關(guān)必須與測試盒一致，否則儀器將會(huì)損壞，例：選用的測試盒的標(biāo)稱是IB=1mA,IC=