半导体管特性图示仪的使用).doc

半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量作者：本站来源：发布时间：2009-3-9 9:12:09收 藏 评 论半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量一、实验目的1、了解半导体特性图示仪的基本原理2、学习使用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和参数。二、预习要求1、阅读本实验的实验原理，了解半导体图示仪的工作原理以及XJ4810 型半导体管图示仪的各旋钮作用。2、复习晶体二极管、三极管主要参数的定义。三、实验原理（一）半导体特性图示仪的基本工作原理任何一个半导体器件，使用前均应了解其性能，对于晶体三极管，只要知道其输入、输出特性曲线，就不难由曲线求出它的一系列参数，如输入、输出电阻、电流放大倍、漏电流、饱和电压、反向击穿电压等。但如何得到这两组曲线呢？最早是利用图4-1 的伏安法对晶体管进行逐点测试，而后描出曲线，逐点测试法不仅既费时又费力，而而且所得数据不能全面反映被测管的特性，在实际中，广泛采用半导体特性图示仪测量的晶体管输入、输出特性曲线。图4-1 逐点法测试共射特性曲线的原理线路用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和各种直流参量的基本原理是用图4-2（a）中幅度随时间周期性连续变化的扫描电压UCS代替逐点法中的可调电压EC，用图4-2（b）所示的和扫描电压UCS的周期想对应的阶梯电流iB来代替逐点法中可以逐点改变基极电流的可变电压EB，将晶体管的特性曲线直接显示在示波管的荧光屏上，这样一来，荧光屏上光点位置的坐标便代替了逐点法中电压表和电流表的读数。1、共射输出特性曲线的显示原理当显示如图4-3 所示的NPN 型晶体管共发射极输出特性曲线时，图示仪内部和被测晶体管之间的连接方式如图4-4 所示. T是被测晶体管,基极接的是阶梯波信号源,由它产生基极阶梯电流ib 集电极扫描电压UCS直接加到示波器(图示仪中相当于示波器的部分,以下同)的X轴输入端,经X轴放大器放大到示波管水平偏转板上集电极电流ic经取样电阻R得到与ic成正比的电压,UR=ic,R加到示波器的Y轴输入端,经Y轴放大器放大加到垂直偏转板上.子束的偏转角与偏转板上所加电压的大小成正比,所以荧光屏光点水平方向移动距离代表ic的大小,也就是说,荧光屏平面被模拟成了uce-ic 平面.图4-4 输出特性曲线显示电路输出特性曲线的显示过程如图4-5 所示当t=0 时, iB =0 ic=0 UCE =0 两对偏转板上的电压均为零,设此时荧光屏上光点的位置为坐标原点。在 0-t1,这段时间内,集电极扫描电压 UCS 处于第一个正弦半波周期。图4-5 晶体管输出特性曲线的显示过程UCE开始由零逐渐增大到最大值，然后再由最大值逐渐减少到零，它在水平方向上影响电子束，由于这段时间内iBIBO0，icICEO，其大小决定于被测晶体管本身的特性，且随UCE而变，它在垂直方向上使电子束发生相应的偏转。因为UCE在水平方向上和ic 在垂直方向上对电子束的作用是同时存在的，二者作用的结果，使光点从坐标原点出发，沿着向右上方伸展的一条曲线逐渐移到最大，再由最大沿原路逐渐回到坐标原点，这条曲线（光点移动的轨迹）就是iBIBO0 所对应的那条输出特性曲线。在正弦半波的第一个周期刚刚结束，第二个周期刚开始的t1 时，ib值从零跳变到IB1。在t1t2这段时间内，集电极扫描电压处于正弦半波的第二个周期，它在水平方向上对电流束的影响与0t1的一样，由于t1t2这段时间内iB = IB1值恒定不变，所以ic的大小仅取决于管子本身的特性和U CE 的变化，并在垂直方向上使电子束发生相应的偏转，UCE和ic对电子束作用的结果，使得荧光屏上的光点从坐标原点出发，沿着向右上方伸展的另一条曲线逐渐移到最大，在由最大沿原路逐渐移回到坐标原点。这条曲线就是ib=IB1所对应的输出特性曲线。在第二个周期的正弦半波扫描电压刚刚结束，第三个周期刚开始的t2时刻，ib值从IB1跳变到IB2。在t2-t3这段时间内，由扫描电压的第三个正弦半波进行扫描，且ib=IB2，光点移动的轨迹ib=IB2所对应的那条输出特性曲线。就这样，ib每取一个值，就有一个周期的正弦半波进行扫描，光点移动的轨迹就是一条新的特性曲线，基极电流有几个取值（包括ib=0），光点就要依次扫过几条曲线，例如图45 中，光点要依次扫过七条曲线。当最后一条曲线扫完后，光点回到原点，ib值的跳变完成一个周期又跳回到ib=IB0=0 的状态，以后便重复上述过程，光点开始第二次依次扫过iB=0,iB=IB1,iB=IB2所对应的输出特性曲线。以上的讨论可以看到，在基极阶梯电流的每一个周期内，光点要依次扫过每条输出特性曲线一个往返。当基极阶梯电流的频率足够高（周期足够短），即单位时间内光点扫过的每条曲线得次数足够多时，借助于示波管的余辉时间和人眼的视觉暂留，我们就能看到输出特性曲线，完整、清晰而稳定地显示在荧光屏上。需要说明的是：图45 中每条曲线分成两条来画，只是为了表明光点的移动方向，实际上它们是重合在一起的。另外ib=IB0=0 的一条输出特性曲线离横轴较远，这是夸大了的情况，实际上由于ICEO很小，此曲线基本上和横轴叠合，对硅管更是如此。2、共射输入特性曲线的显示原理当显示如图46 所示的NPN 型晶体管的共发射极输入特性曲线时，图示仪内部和被测晶体管之间的接线方式如图47 所示。图4-7 输入特性曲线显示电路从图47 中可以看到，此时Y轴（垂直偏转板）加的是反映基极阶梯电流iB大小的信号电压iBR0，X轴（水平偏转版）加的是与iB相对应的不均匀的变化电压UBE,荧光屏平面就被模拟成UBEiB平面。当集电极扫描电压和基极阶梯电流有如图42 所示的对应关心时，图47 电路的工作过程（即输入特性曲线的显示过程）将如图48 所示。在0t1t2这段时间内，集电极扫描电压uCS处在第一个正弦半波周期，随之变化的集电极电压UCE按正弦半波规律将从零逐渐增大到最大值，再由最大值逐渐减小到零，此时iB=IBO=0,uBE也为零，而对偏转板上的信号电压均为零，电子束打到荧光屏上的0 点，设此点为坐标点。当光点由E返回到E点的t12时刻，UCE=0，iB值的调变完成一个周期，立刻从IB5跳回到IB0=0 与iB相对应的UBE值的跳变也必然完成一个周期，在iB变化的同时跳回到零。IB和UBE对电子束的合作用，使得光点从最高的E点跳回到坐标原点0。再t12以后的时间里，0-t12的情况完全相同，。就这样，在基极阶梯电流的频率足够高，即单位时间内扫过上述路径的次数足够多时，借助于示波管的余晖时间和人烟的视觉暂留，光点扫过的整个路径便清楚而稳定的显示在荧光屏上，这就是我们所要得到的晶体管共发射极输入特性曲线。其中，左面的一条是对应着UCE=0 的输入特性曲线，而各水平亮线右短的光迹，也就是连接A、B、C、D诸点所得到的曲线为UCE=UCEM所对应的输入特性曲线。但在共射极输入特性曲线中，UCE1V以后，曲线不再随UCE的增大而向右移，说明UCE1V后的各曲线基本上是重合在一起的。（二）XJ4810 型半导体管图示仪各开关旋钮的作用JT-1 型晶体管图示仪各旋钮、开关的作用蚕茧本书附录五，这里介绍XJ4810 的使用，图示仪前面板上的开关和旋钮较多，但按其功能可以分为以下七部分：示波管控制电路，集电极扫描电压，X 轴作用、Y 轴作用，先是部分，基极阶梯信号盒测试台。1、 示波管控制电路电源开关与辉度调整旋钮。拉该旋钮电源接通，电流指示灯，推该旋钮为关，该旋钮拉出后为辉度调整，使用时使辉度适中。聚焦：为主聚焦旋钮，0 为辅助聚焦旋钮，四勇士调节主聚焦和辅助聚焦使光点截面最小。2、 Y轴作用：Y轴作用是使集电极电流ic或基极阶梯电流ib通过各自取样电阻得到的电压及Y轴放大器放大，加到垂直偏板使电子束垂直偏转。（1） 电流/度开关：它是具有22 档四种偏转作用的开关。a.集电极电流Ic：10A/div0.5A/div共15 档，测量晶体管输出特性曲线时Y轴作用为Ic, Ic=mA/度度b.二极管漏电流IR:0.2A/div5A/div共5 档用来测量二极管的漏电流。c.极电流或基极源电压：阶梯电流通过取样电阻得的基极电流的偏转量。用于阶梯波校正和晶体管输入特性曲线的测量。（2）垂直位移与倍率：调节该旋钮可使光点，扫描线或曲线上下位移，拉出该旋钮是电流/度0.1 倍率开关。3、 X轴作用：X轴作用是集电极电压VCE或基极电压VBE经X轴放大器放大到水平偏转板使电子束水平运动。（1）电压度开关：它是具有17 档，四种偏转作用的开关。a、集电极电压：0.05V度50 V度共10 档，测量晶体管输出特性曲线时该开关置于。CE VCE Vb、基极电压：0.05V度1V度共5 档，测量晶体管输入特性曲线时该开关置于。BE VBE Vc、基极电流或基极源电压：阶梯电流通过取样电阻得到的基极电流的偏转量，测量晶体管的电流放大倍数fe 时，该开关置于该档。 hd、X 轴位移：调节该旋钮时光点，扫描线或曲线左右移动。4、显示部分（1）显示开关：使曲线在、象限内相互转换，简化NPN 管转测PNP 管时的操作。（2）放大器输入端接地：表示输入为零的基准点。（3）校准：用以校准X、Y 轴放大器增益，按下此开关光点垂直向上，水平向右偏转10 度，即当光点位于左下角原点时，按下此开关光点跳到右上角。5、集电极扫描电压：（1）极性选择开关：用以转换集电极扫描电压的极性，按下为负极性扫描电压，适于测量PNP 管，放开正极性扫描电压，等于测量NPN 管。（2）集电极峰值电压范围：分10V、50V、100V、500V 四档，它是集电极峰值电压的调节范围，当由低档转换为高档时，需将峰值电压调到“0”，否则易击穿晶体管，AC 档是专为测量二极管的正、反向特性设置的，它提供双向扫描电压，能方便的将二极管的正、反向特性显示在示波器上。（3）峰值电压旋钮：调该旋钮可使峰值电压在010V、050V、0100V 和0500V 之间连续变化，该旋钮的标称值是近似的，准确读数由X 轴V度X 度来确定。（4）功耗电阻开关：该开关是集电极负载电阻，调节可改变输出特性曲线的斜率。C R（5）电容平衡：由于集电极各种开关，功耗电阻，被测管输出电容的存在，使集电极电流中存在着容性电流，造成测量误差，使用时调节电容平衡和辅助电容平衡使容性电流最小。6、基极阶梯信号：（1）阶梯信号选择开关：是一个具有基极电流，基极电压的22 档开关，基极电流为0.2A级50mA级，共17 档，基极电压为0.05V级1V级共5 档，基极电流与基极电压的选择根据被测半导体器件的特性来决定。（2）串联电阻：阶梯选择开关置于V级时串联于被测管输入电路中的电阻。（3）级旋旋钮：用以调节阶梯信号的级数，在010 级范围内连续变化。（4）极性开关：基极阶梯信号的极性，按下为负极性，适于测量PNP 管，放开为正极性，适于测量NPN 管。（5）阶梯调零：阶梯调零是调整阶梯波的起始级与零电压重合，调整方法见实验内容中的阶梯波校正（2）。（6）重复开关：重复开关处于重复位置时，阶梯信号重复出现，处于正常测试状态，该开关处于关时阶梯信号停止工作，处于待触发状态，与单次开关配合，按下单次，阶梯波出现一次。7、测试台：测试选择开关：左右开关可任意选择左右测试插座，以分别观察左右两管的特性曲线。当置于二族时，可通过电子开关交替地显示左右二族特性曲线。“零电压”与阶梯调零旋钮配合，校正阶梯信号的零电压。“零电流”是使被测晶体管的基极处于开路，用来测量晶体管的CEO 和。 I CEO BV（三）使用半导体特性图示仪应注意的事项1、峰值电压范围要根据被测晶体管的反相击穿电压来确定，在不知被测晶体管的反相击穿电压时，应置于010V 或050V 档。2、测试完毕应将峰值电压调回0V。3、测量前要区分开被测管的E、B、C 后方可插入管座。4、基极阶梯电流开关，要从低逐渐升高，否则基极阶梯电流过大时会损坏小功率管。5、集电极功耗电阻，不能太小，对一般晶体管C 在50 R 1k 。（四）怎样从晶体管的特性曲线上求参数。因为变化量的每一瞬间值可以看作直流量，变化量随时间的变化可以看作直流量的改变，所以我们可以将晶体管特性曲线的坐标轴标以直流量的符号。从晶体管特性曲线上求四个h 参数的方法示于图49 中。在图49 所示的特性曲线中BE V V度 XB I A/ 级2C I mA/度 YCE V V/度 X图4-9 从特性曲线上求h 参数的方法在晶体管测试的构成中测试条件是很重要的，在不同的测试条件下，尽管测试方法相同，测出的参数值很可能不一样，测试条件的确定，一般有两种方法，一种是按产品技术指标的参数表所列的测试条件进行测量，另一种是将晶体管的实际工作条件作为测试条件进行测量，对于使用者来说，以实际的工作条件作为测试条件更为合理些。四、实验仪器1晶体管特性图示仪 一台2、万用表 一块五、试验内容1、X 轴、Y 轴增益校正（1）开启电源在Y轴作用为IC，X轴作用为Vce，峰值电压范围10V，集电极扫描电压为0V时，调节X轴、Y轴位移使光点显示在荧光屏上，再调节辉度，聚焦和辅助聚焦旋钮，使光点清晰，辉度适中。（2）、调节X 轴、Y 轴位移使光点位于左下角坐标原点，按下校正按键，光点应向上，向右跳10 度，即光点跳到右上角原点，说明X、Y 轴增益正常否则应调整X 轴或Y 轴增益，（对于JT1 型图示仪，应将光点调到右上角，Y 轴板键扳向10 度时，光点向下跳10 度，X 轴板键扳向10 度时，光点向左跳10 度）。2、梯形波校正（1）释放校正按键，将Y 轴作用开关置于基极电流基极源电压的位置，X 轴作用开关置于1V/度，集电极扫描信号极性为“+”调节峰值电压旋钮，阶梯波校正图便可出现在示波管屏幕上，观察各级扫描线是否与标尺上的刻度线重合，转角是否垂直，若不满足要求应打开机盖调整。（2）、阶梯调零：阶梯波起始级为IB0 应与零电压的位置重合，校正方法是将阶梯信号极性置于“”，（JT1 中的PNP），阶梯信号起始级（第一级）的位置不变，若有变化调节阶梯调零旋钮，使阶梯信号的起始级在阶梯信号是正极性或向是负极性是时重合。阶梯调零调好后，使用中阶梯调零旋钮就不要再动了。3、用万用表 档判断二极管的正负极，三极管的极性与e、b、c用万用表的 档测量二极管、三极管，首先应明确：万用表 档的负表笔接的是表内电池的正极，正表笔接的是内部电池的负极，正负表笔接在二极管、三极管道电压上实质是给两个电极加的偏压，表针的摆动是通过两个电极的电流（用阻值表示）。判断时一般用R100 或R1k 的档进行。（1）用万用表判断二极管道负极和性能二极管的管壳上一般都有正负极的标记，但有时无标记或不知标记的表示方法时，应用下面的方法判断：将万用表的正负表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻比较小；而将正负表笔对换后得的电阻很大，说明二极管的单向导电性能良好，而第一次测量的阻值小时，负表笔接的是二极管的正极，正表笔接的是二极管的负极。如正反向电阻均无穷大，表示二极管内部已断路。（2）用万用表判断三极管的极性（NPN 还是PNP）与e、b