器件原理-双极型晶体管特性的测量与分析

1、微电子器件原理双极型晶体管特性的测量与分析实验指导书通信工程学院 微电子实验室二 00 八年九月双极型晶体管特性的测量与分析实验要求 1弄清双极型晶体管主要参数的物理意义和使用图示仪的基本方法。 2测试样品为 3DK4DJ，弄清这两类器件的类型和引脚。3测量该晶体管的输出特性曲线，在 VCE为 10V、第六级曲线处求电流放大倍数 （交流） 、HFE（ 直流 ） 。用转移特性曲线再次测量这两个参数，将两次结果进 行对比。4测量晶体管的极限参数 BVebo、BVceo、BVcbo。5. 将测试结果和测试条件列表表示并与标准参数进行比较 , 看看所测的器件是 否合格。一 前言双极晶体管是最重要的分立

2、器件， 是双极集成电路的基础， 其特性的测量与分析是基本 的实验技能。 通常用半导体管特性图示仪来完成这一工作。 半导体管特性图示仪是能直接显 示半导体各种特性曲线和直接读出被测管各项参数的测试仪器。 它还能显示和测量多种半导体和集成电路的特性和参数，具有显示直观，读测简便和使用灵活等优点。 要测定共射晶体管的输出特性， 其基本测试原理电路如图 1-1 所示， 测试时用逐点测试 的方法把一条条的曲线描绘出来如图1-2。如果用半导体管特性图示仪，则可以把这组曲线直接显示出来。图 1-1 共射晶体管接法半导体管特性图示仪既能较全面地检测半导体管的各种参数， 又能显示半导体管的特征曲线。具有价格便宜

3、，性能稳定等优点，是检测半导体管特性和参数的常用仪器。本实验要求：（ 1）了解 XJ4810 半导体管特性图示仪的基本原理方框图及每部分的作用。（2）了解被测管各项参数的定义及读测方法。（3）掌握晶体管特性常见缺陷及其产生原因。实验原理1 XJ4810 半导体管特性图示仪的基本原理方框图XJ4810 图示仪的基本原理方框图如图1-3 所示。其各部分的作用如下。（1）基极阶梯信号发生器提供必须的基极注入电流。（2）集电极扫描电压发生器提供从零开始、可变的集电极电源电压。（3）同步脉冲发生器用来使基极阶梯信号和集电极扫描电压保持同步，以便正确而稳 定地显示特性曲线（当集电极扫描电压直接由市电全波整

4、流取得时，同步脉冲发生器可由 50Hz 市电代替）。（4）测试转换开关是用于测试不同接法和不同类型晶体管的特性曲线和参数的转换开 关。（ 5）放大和显示电路用于显示被测管的特性曲线。（ 6）电源（图中未画出）为各部分电路提供电源电压。如需更深入了解 XJ4810 图示仪的原理和电路，请参阅 XJ4810 图示仪使用说明和资 料1 。2读测方法（以 3DG6 npn 管为例）（ 1）输入特性曲线和输入电阻 Ri在共射晶体管电路中，输出交流短路时，输入电压和输入电流之比为Ri，即RiIB VCE 常数BE它是共射晶体管输入特性曲线斜率的倒数。 例如需测 3DG6 在 VCE = 10V 时某一工作

5、点 Q的 Ri值，晶体管接法如图 1- 4所示。各旋钮位置为： 。各旋钮位置为：峰值电压范围010V极性（集电极扫描）正（ +）极性（阶梯）正（ +）功耗限制电阻0.11k（适当选择）x 轴作用电压 0 .1V/ 度y 轴作用阶梯作用重复阶梯选择0.1mA/级测试时，在未插入样管时先将 x 轴集电极电压置于 1V/ 度，调峰值电压为 10V ，然后插入样 管，将 x 轴作用扳到电压 0.1V/ 度，即得 V CE=10V 时的输入特性曲线。这样可测得图1-5；RiVBEI B VCE 10V0.023 2000.1 10 3图 1-5 晶体管的输入特性曲线图 1-4 晶体管接法2）输出特性曲线

6、、转移特性曲线和、hFE、在共射电路中， 输出交流短路时， 输出电流和输入电流增量之比为共射晶体管交流电流 放大系数 。在共射电路中， 输出端短路时， 输出电流和输入电流之比为共射晶体管直流电流放大系数 hFE。晶体管接法如图 1- 4 所示。旋钮位置如下： （数据是其它元件的，请自己调试数据得出图形）峰值电压范围 极性（集电极扫描） 极性（阶梯） 功耗限制电阻 x轴 y轴 阶梯选择阶梯作用05V（调试参考 10V ）正（+）正（+）0.11k （调试参考 250 ） 集电极电压 0.5V/ 度 集电极电流 0.1mA/ 度 0.02mA/级（调试参考 10UA/ 级） 重复调节峰值电压得到图

7、 1-6 所示共射晶体管输出特性曲线。 并可读得 （另外元件的参考数 据）IC 10mAIC10hFE100VCE 10VIB0.1I C 10mAIC2.2110VCE 10VIB0.02 hFE主要是因为基区表面复合等原因导致小电流较小造成的。、hFE也可用共射晶体管的转移特性图 1-7 进行测量。只要将上述的 x 轴作用开关拨至 ，即得到共射晶体 管的转移特性。这种曲线可直接观察 的线性好坏。图 1-6 共射晶体管输出特性的读测图 1-7 共射晶体管的转移特性此外，在共射晶体管输出特性曲线中， 当 IB 为某一值时可读测出共射小讯号输出电导g，它是 IB 为某值时输出曲线的斜率，即VCE

8、 IB 常数当接地选择打到“基极接地” ，阶梯极性改为负（） ，阶梯选择改为 2mA/ 级（这时注入电流以为 IE），图示仪上则显示出共基晶体管输出特性，并可读测出值：I E VCB 常数（ 4）反向击穿电压 BV CBO、 BV CEO 和 BVEBO外延片制作的双极晶体管的反向击穿电压VB（一般指 BV CEO或 BV CBO）既与外延层电阻率 c有关，也与结的曲率半径和表面状况等因素有关。 当高阻集电区厚度 Wc 小于 BV CBO 所对应的势垒宽度 xmB 时，V B还与 WC有关。所以提高晶体管反向耐压可采取提高c、W C，减小二氧化硅中表面电荷密度， 采用圆角基区图形，深结扩散、甚

9、至采用台面结构、扩展电 极或加电场限制环等措施。BV CBO 是共基晶体管在发射极开路时输出端C B 间的反向击穿电压。 BV CEO 是共射晶C B 间的反向电压值。 CE 间的反向电压值。E B 间的反向电压值。体管在基极开路时输出端 C E 间的反向击穿电压。晶体管手册中（或实际测试中）的规定 为：BV CBO发射极开路，集电极电流为规定值时，BV CEO基极开路， 集电极电流为规定值时，BV EBO 集电极开路，发射极电流为规定值时，理论上可推导出 BVCEO BVCBO / n 1 o对硅 npn管，n = 4。硅双扩散管的基区平均杂质浓度 N B Nc ，所以，一般 BV CBOB

10、V CEO BV EBO ，而锗合金管 N BNC ，所以， 般 BV CBO BV EBO BV CEO 。3DG6 的BV CBO和 BV CEO的测试条件为 I C=100 A BVEBO 的为 IE =100A 。晶体管的 接法如图 1-10 所示。旋钮位置为：峰值电压范围0200V （测 BV CBO， BV CEO）020V （测 BV EBO）550k极性（集电极扫描）正（ +）x轴功耗电阻集电极电压 10V/度（测 BV CBO， BV CEO）1V/度（测 BV EBO）y 轴集电极电流 0.1mA/ 度将峰值电压调整到合适的值，即可得到图 1-11 所示的值，图例表明BV

11、CBO=70V ，BV CEO=40V 、 BV EBO=7V 。图 1-10 测击穿电压时晶体管的接法（ 4）反向电流 ICBO、 ICEO 和 IEBO晶体管的反向电流 ICBO 、ICEO 和 IEBO 也叫反向截止电流或反向漏电流。 其中 ICEO 又叫反 向穿透电流。 反向电流对晶体管的放大作用没有贡献， 白白消耗一部分电源功率， 影响晶体 管工作的稳定性。因此，反向电流愈小愈好。晶体管的反向电流通常包括反向扩散电流ID、势垒区产生电流 IG 和表面漏电流 IS。在室温下，硅管的 IGID，锗管则 ID IG。一般硅管的反向电流远小于锗管的反向电流。由 于 XJ4810 图示仪的测试

12、精度所限，绝大部分中小功率硅管的反向电流不能用 XJ4810 图示仪读测，而只能用专用仪器IEBO 的定义如下：（如 JS2B 晶体三极管反向截止电流测试仪） 测量。电流 I CBO ，ICEO 、ICBO 发射极开路，ICEO基极开路，IEBO集电极开路， 仪上有可能观察到。CB 间反压为规定值时的反向电流；CE 间反压为规定值时的反向电流；EB 间反压为规定值时的反向电流。锗管的反向电流，在图示面以锗管 3AX 31B 为例，测量其反向电流。050V极性（集电极扫描） 功耗电阻 x轴 y轴阶梯作用负（）110K （反压高时电阻大些）集电极电压 1V/ 度集电极电流 0.010.5mA （适

13、当选择）晶体管接法同图 1-10，测量示值如图 1-12 所示。旋钮位置为：峰值电压范围图 1-12 晶体管反向电流的测量示值三 实验步骤与要求1实验器材1）XJ4810 型半导体管特性图示仪一台及使用说明书一份。2）半导体器件 3DK4DJ2仪器调节与测试要求（ 1）开启电源，预热 15min 后使用（2）示波管部分 调辉度，以适中亮度为宜。 调聚焦和辅助聚焦，使光点清晰。测 npn 管时光点移至左下角，测 pnp 管时光点移 至右上角。（ 3）集电极扫描 将集电极扫描的全部旋钮都调到预见需要的范围，一般峰值电压范 围先置于 010V ，峰值电压（旋钮）调至最小。（4）y 轴作用 将毫安伏 /度与倍率调到需读测的范围。（5）x 轴作用 将伏 /度调到需读测的范围。（ 6）基极阶梯信号 通常先进行阶梯调零（方法见 XJ4810 图示仪使用说明书） 。阶梯 调零后，根据需要，将极性，串联电阻、阶梯选择（毫安/级或伏 /级）调好，阶梯作用置于“重复”。（ 7）测试台部分 按面板指示操作。测试时应注意 每次测试时应把光点调到和坐标原点重合，测VCES、VBES 时尤其要注意。 每次测试前应把峰值电压调到最小，要缓慢进行调节，以免损坏仪器部件。 测高反压管的反向耐压和反向电流时，功耗电阻应选大些，以免烧坏被测管。 在满功耗附近测量共射晶体管输出特性时，扫描时间不能