晶体管直流特性观测

1、实验6晶体管直流特性观测1 实验目的 学习使用XJ4810半导体管特性图示仪测试晶体管各种直流特性与参数，从而深入认识器件的性能及其微观机制； 掌握图示仪的工作原理和基本使用方法。2 实验内容 用XJ4810图示仪显示并测量3AX31B、3DG6D的放大、饱和、击穿等特性曲线，根据图示曲线计算晶体管的放大倍数； 图示结型N沟道场效应晶体管3DJ7的输出及转移特性曲线，依条件测出IDSS、VP、gm等参数，并根据所测参数分析被测管的性能、成因。3 XJ4810图示仪的基本工作原理为了简单起见，这里以图示共发射极连接的输出曲线为例简单介绍XJ4810图示仪的工作原理。让我们先看看图1所示的电路是如

2、何通过逐点测试测出晶体管的输出特性曲线的。首先调节Eb，以固定一个微安（A）表所指示的小的Ib0，然后改变Ec，从输出回路的电压（V）表和毫安（mA）表中测得对应的一组Vce和Ic数值，画出一条曲线。然后调节Ib到Ib1（Ib1=2Ib0）值，重复上述操作，得到另一组数据和曲线。如此下去，每次都使Ib的数值增加Ib0，直到Ib3=4Ib0，于是得到图2所示的输出特性曲线。为了用示波器图示出上述晶体管的输出特性曲线，就须要把输出电压表和输出电流表所指示的动态变化以曲线的形式形象地显示出来。于是集电极对发射极的输出电压Vce就要加到示波器的X偏转板上，使荧光光点在X方向偏转的距离正比于Vce；同时

3、将反映输出电流IC变化的信号加于示波器的Y偏转板上，使荧光点在Y方向的偏转距离正比于IC。电流信号的采集是在集电极回路里串联一个不影响晶体管工作状态的阻值足够小的取样电阻RS，然后将其两端的电压信号引至示波器的Y偏转板上，如图3所示。因此，Y方向的取样信号。为了实现光点的自动扫描，关键在于图1中的可以步进变化的Eb和连续变化的Ec。图示仪中代替Eb的就是阶梯波电流源。而代替Ec的就是市电（50Hz）经过全波整流后的正弦半波电压，它经过负载电阻RC加于晶体管的c、e极之间作为图示仪Y轴的扫描电压。 由于Vce、Vy的信号非常小，不足以推动示波器的偏转板，故它们分别要经过X轴放大器和Y轴放大器放大

4、后再加于X、Y偏转板上。在基极阶梯信号和集电极正弦半波扫描信号同步的情况下图示仪就可以给出被测晶体管的特性曲线。与示波器显示电压、电流波形相比，阶梯波电流源是半导体特性图示仪的一大特点，这里将重点讲述，最后结合方框图对图示仪进行总体介绍，以便了解其功能和使用。 图形的稳定显示及扫描频率如图4所示，扫描半波电压Vce的重复周期为T，阶梯波电流Ib的重复周期为，阶梯级间的周期为。其信号同步的要求是指：。假如阶梯波的阶跃发生在时刻阶梯电流的阶梯高度。下面就以这四个阶梯输入的输出特性曲线的图示来说明之。在第一个扫描周期内（），从上升到扫描电压的最大值，称之为“正程”，它描绘出一条的输出特性曲线。当从返

5、回到0时，称之为“回程”，在此期间电子射线沿正程轨迹从相反的方向返回到原点。当第二个扫描周期一开始，基极电流就突然跳到，集电极电流亦相应上升一个台阶，从而描绘出一条的输出曲线。如此重复下去，就在荧光屏上描绘出一幅四线束的输出特性曲线。当第五个扫描周期开始时，正好一个阶梯波周期结束，从返回到零，又开始重复上述的四曲线的描绘。由于扫描信号和阶梯信号严格同步，因此第二次重复扫描的图形与第一次扫描的图形是重合的。图示曲线的稳定显示，除了信号同步外，还与扫描的频率有关。示波管图形的稳定显示是利用荧光余辉现象得以实现的。在荧光余辉时间远大于阶梯波重复周期TS的情况下，不仅扫描一簇曲线中的最后一条输出曲线时

6、，第一条输出曲线的荧光依然存在，而且到了第二簇曲线的阶梯波周期内，扫描第二簇曲线时，前一簇曲线的荧光依然存在，两者自然吻合，荧光的闪烁就会减小，从而在荧屏上看到比较稳定的图形。一般中、短余辉示波管的余辉时间在数百毫秒到一秒左右。若毫秒，人眼就感觉不到闪烁的存在。但是，如果要以图4的方式在一簇曲线中同时图示出10条曲线，并保持阶梯波扫描周期TS等于50毫秒，则扫描半波的周期T就为5毫秒。这样，正弦半波重复频率将为，这一频率就比较高。但是，从实际出发，扫描频率不宜过高。因为在图示仪中要求集电极扫描发生器提供高达几十安培的电流，以及很高的电压（在测试高反压晶体管时）。显然，专门设计这样一个频率较高的

7、扫描电路是很不经济的，而且也比较困难。目前国际上通常采用50Hz 市电的全波整流电路。这种方法能提供所要求的大电流，而且可采用自耦变压器调节扫描电压，较为简单。不足的是，当采用50Hz市电，以图4方式图示10线束输出曲线时，毫秒，荧光图形就略显闪烁。为了进一步减小闪烁，可以采用图5的方式，即正程扫描一条曲线，回程扫描下一条曲线，这样扫描10条曲线，毫秒就够了。这就巧妙的解决了仪器经济性和实用性之间的矛盾。XJ4810半导体管特性图示仪就是以这种方式工作的。表1 计数器BCD码输出及其数据转换后CS2点电位送入CP端的狭脉冲数CS2点电位00000010001200103001140100101

8、010表中，“0”代表接地，“1”代表接通电源E 阶梯波信号源从图6的阶梯波形成电路中可以看出，阶梯电压发生器由JC1，JC2，JC3组成。其中JC1是一个计数器、JC2是一个跟随器、JC3是一个电压比较器。重复频率为200Hz的狭脉冲加在计数器JC1的CP端计数，转化为8421的BCD码，控制QA、QB 、QC、QD的电位高低，而QA、QB 、QC、QD又接在T型电阻D/A转换网络上，它们的变化规律是0000，0001，0010，依次增加，如表1所示。对于形如图7（a）的有源网络可以应用戴维南定理简化为图7（b），图中这里，R是实际电路（图a）中电源E短路时A、B两端的总电阻，又称之为等效电

9、源的内阻；E是实际电路A、B两端开路时这两端的电压。当时上述二式简化为，。将此结果应用于图6所示的T形电阻网络，就可以简单地计算出一簇曲线中各级等效电路下CS2点的电位。以第一级为例:、。此时将图6中的T型电阻网络单独画于图8（a）。将图中第“1”点左边的电路应用戴维南定理简化可以得到图8（b）所示的等效电路。同样，将图8（b）中第“2”点左边的电路再次应用戴维南定理简化可以得到图8（c）所示的电路，将图（c）中第“3”点左边的电路简化得到图（d），将图（d）中CS2点左边的电路简化得到图（e）的电路。由此可以得出在表1中输入CP端的狭脉冲数为1时，CS2点的电位为。用同样的方法可以得到输入到

10、CP端的狭脉冲数为210时，CS2点的电位依次如表1所示。狭脉冲一个接一个地送入JC1的CP端，由表1看出：在一簇曲线的范围内，每当CP端接收到一个狭脉冲， CS2处的电位就提升，即0.8V的正向阶梯电压。该阶梯电压经JC2跟随器后，除了送至阶梯极性、幅度、调零电路外，另一路送入JC3比较器的正向输入端（该点电位为U2），JC3的负向输入端接一可调节的直流电压U1（该电压决定了每一簇曲线的级数）。当上升的阶梯波电压U2<U1时，输出电压U0是低电位，计数器正常计数，CS2端输出不断上升的阶梯波；当U2>U1时，比较器输出电压U0是高电位。U0的正跳变电压经二极管BG14后送入计数器

11、的Cr端（复零端），使JC1迅速回复到初始状态，即，CS2处电压又恢复到0，完成了一个阶梯波周期。由于D/A输出为0，U2再次小于U1，比较器输出低电平，计数器Cr端又为0电平，于是一个周期的阶梯波结束时，便开始了下一个阶梯波的新周期。综上所述，随着计数器对200Hz脉冲按序计数，T型电阻网络将其D/A转换为CS2处阶梯上升的电压，然后通过一输入阻抗极高的跟随器输出，这就是一簇阶梯电压的工作过程。调节W2可以改变U1的直流电位，也就调节了阶梯波电压的级数（从1级到10级）。JC3的输出脉冲U0又称为阶梯复零脉冲。 仪器框图与控制旋钮XJ4810型图示仪的组成框图示于图9。它主要由集电极电源、阶

12、梯信号发生器、X轴放大器、Y轴放大器、二簇电子开关、示波管控制电路及一系列开关组成。下面分述如下： 集电极电源部分50Hz市电全波整流后形成100Hz半波脉动电压，经集电极变压器、功耗限制电阻RC（也是集电极负载电阻）加到被测晶体管集电极作为集电极扫描电压UC，其中“峰值电压%”旋钮可以调节集电极扫描电压峰值Um，“极性”开关可以改变扫描电压极性。这里RC有00.1M共10档可供选择。UC有010V，050V，0100V，0500V四档可供选择。并有“AC”功能，可供测量二极管正、反向伏安特性用。集电极扫描电源输出端对地存在分布电容，引起容性电流，影响小电流测试精度。仪器设置了容性电流平衡电路

13、，以使其影响减至最小。测量过程中它通过“电容平衡”和“辅助电容平衡”旋钮进行调节。 阶梯信号部分阶梯波电压经阶梯调零，极性转换及阶梯波放大电路后，转换成能提供测量用的、具有恒流源性质的阶梯波电流。在阶梯放大器中，运放电路的特殊处理，使其输出支路上的阶梯级电流正比于阶梯级电压Ui，反比于阶梯电流“幅度/级”选择电阻R，而与负载即被测管输入阻抗无关。这里Ui恒定为。所以切换R改变阶梯电流的“”或“”的数值。利用阶梯电流，通过电阻分压获得低输出阻抗的阶梯波电压源。能供与场效应等电压控制器件测量用。对于阶梯信号控制，还有“重复关”开关、“单簇”开关以及“串联电阻”开关。“单簇”开关操作可以在很短时间内

14、提供一簇阶梯信号，随即就回到待触发状态。这种操作用来观察被测晶体管的功率极限参数。“串联电阻”是当阶梯选择置于“电压/级”时，需在被测管输入回路接入串联电阻，以确定被测场效应管输入阻抗的高低、判断其性能的优劣。“X轴作用”和“Y轴作用”“X轴”和“Y轴”作用开关可分别选择加到示波器X、Y通道的信号的内容，同时它又是X、Y轴偏转因素的量程选择开关。下面以“Y轴作用”的四种选择功能为例加以说明。“集电极电流IC”旋钮指向这个位置时，是Y轴直流差分放大器从IC取样电阻RC上取得测量信号VY=ICRC，在Y放大器灵敏度（0.1V/度）一定的情况下，改变RC实现对不同IC的采样。“二极管漏电流IR”这里

15、测试的IR不仅在数值上是以下的微小电流，而且是在直流扫描方式下测试的IR。它是原半波扫描电压经电解电容滤波输出一直流电压供与微小电流测试用。这就从根本上解决了容性电流的干扰问题，有利于微小电流的准确测量。由于是专用的扫描电路，故专门设置了漏电流取样电阻。测试时，样品插入专用的“”插孔，选择好量程，旋转“峰值电压%”，荧光屏上将看到一个光点移动。其垂直方向的偏转距离为值，水平方向的距离为反向电压。不过应该扣除取样电阻上的电压降，其值见表2。表2Y轴增益倍率每度误差值0.1V0.01V“”“Y轴作用”开关指向“”时，Y放大器输入机内阶梯信号，其阶梯幅度为，在屏上Y方向每度显示出一个光点。“外接”Y

16、放大器外接输入信号。Y及X的外接信号接线柱均在仪器右侧面上。“X轴作用”开关亦有四种选择功能。即“集电极电压VCE”、“基极电压VBE”、“”及“外接”。此处不再赘述。另外，需要指出的是，XY坐标转换开关是通过放大器差分输入端二线对换，使图像由象限向象限转换，方便了NPN管和PNP管特性曲线的图示。 二簇显示控制该仪器具有同时显示左、右两个晶体管特性曲线的功能，它就是通过电子开关控制执行的。电子开关就是被测左右晶体管基极电流的控制开关，它提供一半周期等于一个阶梯波周期的方波，控制左右晶体管基极阶梯电流的通道，交替将阶梯波电流送入左右晶体管的基极，使左右晶体管特性交替显示。由于荧光余辉作用，达到

17、两簇曲线同时显示的效果。在荧光屏上，对X轴而言，右侧晶体管的X信号电压较高，因此需要右簇移位控制，它是X放大器中，用一电子开关提供的同步右簇移位脉冲，通过右簇移位电位器调节，改变移位脉冲的幅度，改变右侧晶体管X放大器“X”信号的直流偏压，而达到右簇移位的目的。 测试台选择开关“左”选择开关；“右”选择开关；“二簇”选择开关，它仅仅为比较左、右被测晶体管特性用；“零电流”选择开关，能使被测管基极开路，可用于图示其、特性；“零电压”选择开关，能使被测场效应晶体管栅极对地短路，以显示零栅压特性曲线及值。4 实验步骤 一般操作和注意事项 开机前各旋钮应置于下述位置峰值电压范围 010V峰值电压 % 旋

18、至0位功耗电阻 25K阶梯选择 A/级 除单管“左”或“右”选择键按下外，其余均为释放状态。 开启电源预热5分钟； 调节“辉度”、“聚焦”和“辅助聚焦”，使光点大小适中、清晰。调节X、Y位移，使光点在荧光屏栅格的左下角的坐标原点处。 正式测试前应进行阶梯调零，以确保零级阶梯处于零电平。这里利用阶梯校准图调零结合关阶梯调零操作处理。操作如下：峰值电压范围 010v极性 正X 1V/度Y 阶梯信号 重复极性 正 调“峰值电压%”，屏上显示等间隔平行线，调“阶梯调零”使零级光迹与栅格底线重合，且各条光迹横线也与对应的栅格横线重合。其后关阶梯，一般光迹线与栅格底线重合，否则调“阶梯调零”使之重合，则阶

19、梯调零就调好了。然后“峰值电压%”旋回到零位。 如果选择左管的插孔，则将被测晶体管按管脚E、B、C、G的编号正确插入其中。 各旋钮、开关依据测试条件置于所需位置，进行测试。 注意事项. 要“峰值电压%”在零位置时，选择各旋钮作用位置，选定后方可逐步旋大“峰值电压%”旋钮，图示出曲线。尤其是“峰值电压范围”旋钮换档，必须这样操作。. 器件参数范围未知时，应将“峰值电压范围”旋钮置于010V，“功耗电阻”置于25K，“阶梯选择”置A/级。先进行试测，再依情况酌情处之。一般图示完一簇曲线，“峰值电压%”应回到零。. 单管测试时，直接用“左”或“右”键，不能用“二簇”键。. 两管比较测试时不能用“单簇

20、”按键。 测试举例 3DK2(NPN)晶体管直流参数测试该管在25下的直流参数见表3。其测试步骤同（1）所述，这里仅指出测试时旋钮的具体位置，请参阅图10。表3 3DK2晶体管直流参数测试参数符号单位测试条件0.35420201530200 N沟道耗尽型MOS场效应晶体管3DO1的测量该晶体管的直流参数和gm如表4所示。该晶体管的三个引脚是短路存放的，因此将其插入插孔时也要注意短路（“峰值电压%”在零位时插入），测试完毕应该及时作短路处理，否则栅极积累的电荷将产生高电压导致晶体管击穿。 输出特性及IDSS等参数被测管的连接方式如图11所示。输出特性图示中各开关的位置如下：峰值电压范围 050V极性 正（+）功耗电阻 1KX轴 VC 2V/度Y轴 IC 0.2mA/度阶梯作用 重复极性 负（）阶梯选择 Vb 0.2V/级表4 3DO1场效应管直流参数和gm参数符号IDSSVPgmRGSBVDSBVGSPDMIDSM单位mAVVVmWmA测试条件VDS=10VVGS=0VVDS=10VIDS=50AVDS=10VIDS=3mAVDS=10VVGS=10V3DO1D3DO1E3DO1F3DO