晶體管直流特性觀測

1、實(shí)驗(yàn)6晶體管直流特性觀測1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)使用XJ4810半導(dǎo)體管特性圖示儀測試晶體管各種直流特性與參數(shù)，從而深入認(rèn)識器件的性能及其微觀機(jī)制； 掌握圖示儀的工作原理和基本使用方法。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 用XJ4810圖示儀顯示并測量3AX31B、3DG6D的放大、飽和、擊穿等特性曲線，根據(jù)圖示曲線計(jì)算晶體管的放大倍數(shù)； 圖示結(jié)型N溝道場效應(yīng)晶體管3DJ7的輸出及轉(zhuǎn)移特性曲線，依條件測出IDSS、VP、gm等參數(shù)，并根據(jù)所測參數(shù)分析被測管的性能、成因。3 XJ4810圖示儀的基本工作原理為了簡單起見，這里以圖示共發(fā)射極連接的輸出曲線為例簡單介紹XJ4810圖示儀的工作原理。讓我們先看看圖1所示的電路是如

2、何通過逐點(diǎn)測試測出晶體管的輸出特性曲線的。首先調(diào)節(jié)Eb，以固定一個微安（A）表所指示的小的Ib0，然后改變Ec，從輸出回路的電壓（V）表和毫安（mA）表中測得對應(yīng)的一組Vce和Ic數(shù)值，畫出一條曲線。然后調(diào)節(jié)Ib到Ib1（Ib1=2Ib0）值，重復(fù)上述操作，得到另一組數(shù)據(jù)和曲線。如此下去，每次都使Ib的數(shù)值增加Ib0，直到Ib3=4Ib0，于是得到圖2所示的輸出特性曲線。為了用示波器圖示出上述晶體管的輸出特性曲線，就須要把輸出電壓表和輸出電流表所指示的動態(tài)變化以曲線的形式形象地顯示出來。于是集電極對發(fā)射極的輸出電壓Vce就要加到示波器的X偏轉(zhuǎn)板上，使熒光光點(diǎn)在X方向偏轉(zhuǎn)的距離正比于Vce；同時

3、將反映輸出電流IC變化的信號加于示波器的Y偏轉(zhuǎn)板上，使熒光點(diǎn)在Y方向的偏轉(zhuǎn)距離正比于IC。電流信號的采集是在集電極回路里串聯(lián)一個不影響晶體管工作狀態(tài)的阻值足夠小的取樣電阻RS，然后將其兩端的電壓信號引至示波器的Y偏轉(zhuǎn)板上，如圖3所示。因此，Y方向的取樣信號。為了實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)的自動掃描，關(guān)鍵在于圖1中的可以步進(jìn)變化的Eb和連續(xù)變化的Ec。圖示儀中代替Eb的就是階梯波電流源。而代替Ec的就是市電（50Hz）經(jīng)過全波整流后的正弦半波電壓，它經(jīng)過負(fù)載電阻RC加于晶體管的c、e極之間作為圖示儀Y軸的掃描電壓。 由于Vce、Vy的信號非常小，不足以推動示波器的偏轉(zhuǎn)板，故它們分別要經(jīng)過X軸放大器和Y軸放大器放大

4、后再加于X、Y偏轉(zhuǎn)板上。在基極階梯信號和集電極正弦半波掃描信號同步的情況下圖示儀就可以給出被測晶體管的特性曲線。與示波器顯示電壓、電流波形相比，階梯波電流源是半導(dǎo)體特性圖示儀的一大特點(diǎn)，這里將重點(diǎn)講述，最后結(jié)合方框圖對圖示儀進(jìn)行總體介紹，以便了解其功能和使用。 圖形的穩(wěn)定顯示及掃描頻率如圖4所示，掃描半波電壓Vce的重復(fù)周期為T，階梯波電流Ib的重復(fù)周期為，階梯級間的周期為。其信號同步的要求是指：。假如階梯波的階躍發(fā)生在時刻階梯電流的階梯高度。下面就以這四個階梯輸入的輸出特性曲線的圖示來說明之。在第一個掃描周期內(nèi)（），從上升到掃描電壓的最大值，稱之為“正程”，它描繪出一條的輸出特性曲線。當(dāng)從返

5、回到0時，稱之為“回程”，在此期間電子射線沿正程軌跡從相反的方向返回到原點(diǎn)。當(dāng)?shù)诙€掃描周期一開始，基極電流就突然跳到，集電極電流亦相應(yīng)上升一個臺階，從而描繪出一條的輸出曲線。如此重復(fù)下去，就在熒光屏上描繪出一幅四線束的輸出特性曲線。當(dāng)?shù)谖鍌€掃描周期開始時，正好一個階梯波周期結(jié)束，從返回到零，又開始重復(fù)上述的四曲線的描繪。由于掃描信號和階梯信號嚴(yán)格同步，因此第二次重復(fù)掃描的圖形與第一次掃描的圖形是重合的。圖示曲線的穩(wěn)定顯示，除了信號同步外，還與掃描的頻率有關(guān)。示波管圖形的穩(wěn)定顯示是利用熒光余輝現(xiàn)象得以實(shí)現(xiàn)的。在熒光余輝時間遠(yuǎn)大于階梯波重復(fù)周期TS的情況下，不僅掃描一簇曲線中的最后一條輸出曲線時

6、，第一條輸出曲線的熒光依然存在，而且到了第二簇曲線的階梯波周期內(nèi)，掃描第二簇曲線時，前一簇曲線的熒光依然存在，兩者自然吻合，熒光的閃爍就會減小，從而在熒屏上看到比較穩(wěn)定的圖形。一般中、短余輝示波管的余輝時間在數(shù)百毫秒到一秒左右。若毫秒，人眼就感覺不到閃爍的存在。但是，如果要以圖4的方式在一簇曲線中同時圖示出10條曲線，并保持階梯波掃描周期TS等于50毫秒，則掃描半波的周期T就為5毫秒。這樣，正弦半波重復(fù)頻率將為，這一頻率就比較高。但是，從實(shí)際出發(fā)，掃描頻率不宜過高。因?yàn)樵趫D示儀中要求集電極掃描發(fā)生器提供高達(dá)幾十安培的電流，以及很高的電壓（在測試高反壓晶體管時）。顯然，專門設(shè)計(jì)這樣一個頻率較高的

7、掃描電路是很不經(jīng)濟(jì)的，而且也比較困難。目前國際上通常采用50Hz 市電的全波整流電路。這種方法能提供所要求的大電流，而且可采用自耦變壓器調(diào)節(jié)掃描電壓，較為簡單。不足的是，當(dāng)采用50Hz市電，以圖4方式圖示10線束輸出曲線時，毫秒，熒光圖形就略顯閃爍。為了進(jìn)一步減小閃爍，可以采用圖5的方式，即正程掃描一條曲線，回程掃描下一條曲線，這樣掃描10條曲線，毫秒就夠了。這就巧妙的解決了儀器經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性之間的矛盾。XJ4810半導(dǎo)體管特性圖示儀就是以這種方式工作的。表1 計(jì)數(shù)器BCD碼輸出及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后CS2點(diǎn)電位送入CP端的狹脈沖數(shù)CS2點(diǎn)電位00000010001200103001140100101

8、010表中，“0”代表接地，“1”代表接通電源E 階梯波信號源從圖6的階梯波形成電路中可以看出，階梯電壓發(fā)生器由JC1，JC2，JC3組成。其中JC1是一個計(jì)數(shù)器、JC2是一個跟隨器、JC3是一個電壓比較器。重復(fù)頻率為200Hz的狹脈沖加在計(jì)數(shù)器JC1的CP端計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)化為8421的BCD碼，控制QA、QB 、QC、QD的電位高低，而QA、QB 、QC、QD又接在T型電阻D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)上，它們的變化規(guī)律是0000，0001，0010，依次增加，如表1所示。對于形如圖7（a）的有源網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用戴維南定理簡化為圖7（b），圖中這里，R是實(shí)際電路（圖a）中電源E短路時A、B兩端的總電阻，又稱之為等效電

9、源的內(nèi)阻；E是實(shí)際電路A、B兩端開路時這兩端的電壓。當(dāng)時上述二式簡化為，。將此結(jié)果應(yīng)用于圖6所示的T形電阻網(wǎng)絡(luò)，就可以簡單地計(jì)算出一簇曲線中各級等效電路下CS2點(diǎn)的電位。以第一級為例:、。此時將圖6中的T型電阻網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)畫于圖8（a）。將圖中第“1”點(diǎn)左邊的電路應(yīng)用戴維南定理簡化可以得到圖8（b）所示的等效電路。同樣，將圖8（b）中第“2”點(diǎn)左邊的電路再次應(yīng)用戴維南定理簡化可以得到圖8（c）所示的電路，將圖（c）中第“3”點(diǎn)左邊的電路簡化得到圖（d），將圖（d）中CS2點(diǎn)左邊的電路簡化得到圖（e）的電路。由此可以得出在表1中輸入CP端的狹脈沖數(shù)為1時，CS2點(diǎn)的電位為。用同樣的方法可以得到輸入到

10、CP端的狹脈沖數(shù)為210時，CS2點(diǎn)的電位依次如表1所示。狹脈沖一個接一個地送入JC1的CP端，由表1看出：在一簇曲線的范圍內(nèi)，每當(dāng)CP端接收到一個狹脈沖， CS2處的電位就提升，即0.8V的正向階梯電壓。該階梯電壓經(jīng)JC2跟隨器后，除了送至階梯極性、幅度、調(diào)零電路外，另一路送入JC3比較器的正向輸入端（該點(diǎn)電位為U2），JC3的負(fù)向輸入端接一可調(diào)節(jié)的直流電壓U1（該電壓決定了每一簇曲線的級數(shù)）。當(dāng)上升的階梯波電壓U2<U1時，輸出電壓U0是低電位，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)，CS2端輸出不斷上升的階梯波；當(dāng)U2>U1時，比較器輸出電壓U0是高電位。U0的正跳變電壓經(jīng)二極管BG14后送入計(jì)數(shù)器

11、的Cr端（復(fù)零端），使JC1迅速回復(fù)到初始狀態(tài)，即，CS2處電壓又恢復(fù)到0，完成了一個階梯波周期。由于D/A輸出為0，U2再次小于U1，比較器輸出低電平，計(jì)數(shù)器Cr端又為0電平，于是一個周期的階梯波結(jié)束時，便開始了下一個階梯波的新周期。綜上所述，隨著計(jì)數(shù)器對200Hz脈沖按序計(jì)數(shù)，T型電阻網(wǎng)絡(luò)將其D/A轉(zhuǎn)換為CS2處階梯上升的電壓，然后通過一輸入阻抗極高的跟隨器輸出，這就是一簇階梯電壓的工作過程。調(diào)節(jié)W2可以改變U1的直流電位，也就調(diào)節(jié)了階梯波電壓的級數(shù)（從1級到10級）。JC3的輸出脈沖U0又稱為階梯復(fù)零脈沖。 儀器框圖與控制旋鈕XJ4810型圖示儀的組成框圖示于圖9。它主要由集電極電源、階

12、梯信號發(fā)生器、X軸放大器、Y軸放大器、二簇電子開關(guān)、示波管控制電路及一系列開關(guān)組成。下面分述如下： 集電極電源部分50Hz市電全波整流后形成100Hz半波脈動電壓，經(jīng)集電極變壓器、功耗限制電阻RC（也是集電極負(fù)載電阻）加到被測晶體管集電極作為集電極掃描電壓UC，其中“峰值電壓%”旋鈕可以調(diào)節(jié)集電極掃描電壓峰值Um，“極性”開關(guān)可以改變掃描電壓極性。這里RC有00.1M共10檔可供選擇。UC有010V，050V，0100V，0500V四檔可供選擇。并有“AC”功能，可供測量二極管正、反向伏安特性用。集電極掃描電源輸出端對地存在分布電容，引起容性電流，影響小電流測試精度。儀器設(shè)置了容性電流平衡電路

13、，以使其影響減至最小。測量過程中它通過“電容平衡”和“輔助電容平衡”旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。 階梯信號部分階梯波電壓經(jīng)階梯調(diào)零，極性轉(zhuǎn)換及階梯波放大電路后，轉(zhuǎn)換成能提供測量用的、具有恒流源性質(zhì)的階梯波電流。在階梯放大器中，運(yùn)放電路的特殊處理，使其輸出支路上的階梯級電流正比于階梯級電壓Ui，反比于階梯電流“幅度/級”選擇電阻R，而與負(fù)載即被測管輸入阻抗無關(guān)。這里Ui恒定為。所以切換R改變階梯電流的“”或“”的數(shù)值。利用階梯電流，通過電阻分壓獲得低輸出阻抗的階梯波電壓源。能供與場效應(yīng)等電壓控制器件測量用。對于階梯信號控制，還有“重復(fù)關(guān)”開關(guān)、“單簇”開關(guān)以及“串聯(lián)電阻”開關(guān)?！皢未亍遍_關(guān)操作可以在很短時間內(nèi)

14、提供一簇階梯信號，隨即就回到待觸發(fā)狀態(tài)。這種操作用來觀察被測晶體管的功率極限參數(shù)?！按?lián)電阻”是當(dāng)階梯選擇置于“電壓/級”時，需在被測管輸入回路接入串聯(lián)電阻，以確定被測場效應(yīng)管輸入阻抗的高低、判斷其性能的優(yōu)劣。“X軸作用”和“Y軸作用”“X軸”和“Y軸”作用開關(guān)可分別選擇加到示波器X、Y通道的信號的內(nèi)容，同時它又是X、Y軸偏轉(zhuǎn)因素的量程選擇開關(guān)。下面以“Y軸作用”的四種選擇功能為例加以說明?！凹姌O電流IC”旋鈕指向這個位置時，是Y軸直流差分放大器從IC取樣電阻RC上取得測量信號VY=ICRC，在Y放大器靈敏度（0.1V/度）一定的情況下，改變RC實(shí)現(xiàn)對不同IC的采樣?！岸O管漏電流IR”這里

15、測試的IR不僅在數(shù)值上是以下的微小電流，而且是在直流掃描方式下測試的IR。它是原半波掃描電壓經(jīng)電解電容濾波輸出一直流電壓供與微小電流測試用。這就從根本上解決了容性電流的干擾問題，有利于微小電流的準(zhǔn)確測量。由于是專用的掃描電路，故專門設(shè)置了漏電流取樣電阻。測試時，樣品插入專用的“”插孔，選擇好量程，旋轉(zhuǎn)“峰值電壓%”，熒光屏上將看到一個光點(diǎn)移動。其垂直方向的偏轉(zhuǎn)距離為值，水平方向的距離為反向電壓。不過應(yīng)該扣除取樣電阻上的電壓降，其值見表2。表2Y軸增益倍率每度誤差值0.1V0.01V“”“Y軸作用”開關(guān)指向“”時，Y放大器輸入機(jī)內(nèi)階梯信號，其階梯幅度為，在屏上Y方向每度顯示出一個光點(diǎn)。“外接”Y

16、放大器外接輸入信號。Y及X的外接信號接線柱均在儀器右側(cè)面上?！癤軸作用”開關(guān)亦有四種選擇功能。即“集電極電壓VCE”、“基極電壓VBE”、“”及“外接”。此處不再贅述。另外，需要指出的是，XY坐標(biāo)轉(zhuǎn)換開關(guān)是通過放大器差分輸入端二線對換，使圖像由象限向象限轉(zhuǎn)換，方便了NPN管和PNP管特性曲線的圖示。 二簇顯示控制該儀器具有同時顯示左、右兩個晶體管特性曲線的功能，它就是通過電子開關(guān)控制執(zhí)行的。電子開關(guān)就是被測左右晶體管基極電流的控制開關(guān)，它提供一半周期等于一個階梯波周期的方波，控制左右晶體管基極階梯電流的通道，交替將階梯波電流送入左右晶體管的基極，使左右晶體管特性交替顯示。由于熒光余輝作用，達(dá)到

17、兩簇曲線同時顯示的效果。在熒光屏上，對X軸而言，右側(cè)晶體管的X信號電壓較高，因此需要右簇移位控制，它是X放大器中，用一電子開關(guān)提供的同步右簇移位脈沖，通過右簇移位電位器調(diào)節(jié)，改變移位脈沖的幅度，改變右側(cè)晶體管X放大器“X”信號的直流偏壓，而達(dá)到右簇移位的目的。 測試臺選擇開關(guān)“左”選擇開關(guān)；“右”選擇開關(guān)；“二簇”選擇開關(guān)，它僅僅為比較左、右被測晶體管特性用；“零電流”選擇開關(guān)，能使被測管基極開路，可用于圖示其、特性；“零電壓”選擇開關(guān)，能使被測場效應(yīng)晶體管柵極對地短路，以顯示零柵壓特性曲線及值。4 實(shí)驗(yàn)步驟 一般操作和注意事項(xiàng) 開機(jī)前各旋鈕應(yīng)置于下述位置峰值電壓范圍 010V峰值電壓 % 旋

18、至0位功耗電阻 25K階梯選擇 A/級 除單管“左”或“右”選擇鍵按下外，其余均為釋放狀態(tài)。 開啟電源預(yù)熱5分鐘； 調(diào)節(jié)“輝度”、“聚焦”和“輔助聚焦”，使光點(diǎn)大小適中、清晰。調(diào)節(jié)X、Y位移，使光點(diǎn)在熒光屏柵格的左下角的坐標(biāo)原點(diǎn)處。 正式測試前應(yīng)進(jìn)行階梯調(diào)零，以確保零級階梯處于零電平。這里利用階梯校準(zhǔn)圖調(diào)零結(jié)合關(guān)階梯調(diào)零操作處理。操作如下：峰值電壓范圍 010v極性 正X 1V/度Y 階梯信號 重復(fù)極性 正 調(diào)“峰值電壓%”，屏上顯示等間隔平行線，調(diào)“階梯調(diào)零”使零級光跡與柵格底線重合，且各條光跡橫線也與對應(yīng)的柵格橫線重合。其后關(guān)階梯，一般光跡線與柵格底線重合，否則調(diào)“階梯調(diào)零”使之重合，則階

19、梯調(diào)零就調(diào)好了。然后“峰值電壓%”旋回到零位。 如果選擇左管的插孔，則將被測晶體管按管腳E、B、C、G的編號正確插入其中。 各旋鈕、開關(guān)依據(jù)測試條件置于所需位置，進(jìn)行測試。 注意事項(xiàng). 要“峰值電壓%”在零位置時，選擇各旋鈕作用位置，選定后方可逐步旋大“峰值電壓%”旋鈕，圖示出曲線。尤其是“峰值電壓范圍”旋鈕換檔，必須這樣操作。. 器件參數(shù)范圍未知時，應(yīng)將“峰值電壓范圍”旋鈕置于010V，“功耗電阻”置于25K，“階梯選擇”置A/級。先進(jìn)行試測，再依情況酌情處之。一般圖示完一簇曲線，“峰值電壓%”應(yīng)回到零。. 單管測試時，直接用“左”或“右”鍵，不能用“二簇”鍵。. 兩管比較測試時不能用“單簇

20、”按鍵。 測試舉例 3DK2(NPN)晶體管直流參數(shù)測試該管在25下的直流參數(shù)見表3。其測試步驟同（1）所述，這里僅指出測試時旋鈕的具體位置，請參閱圖10。表3 3DK2晶體管直流參數(shù)測試參數(shù)符號單位測試條件0.35420201530200 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)晶體管3DO1的測量該晶體管的直流參數(shù)和gm如表4所示。該晶體管的三個引腳是短路存放的，因此將其插入插孔時也要注意短路（“峰值電壓%”在零位時插入），測試完畢應(yīng)該及時作短路處理，否則柵極積累的電荷將產(chǎn)生高電壓導(dǎo)致晶體管擊穿。 輸出特性及IDSS等參數(shù)被測管的連接方式如圖11所示。輸出特性圖示中各開關(guān)的位置如下：峰值電壓范圍 050V極性 正（+）功耗電阻 1KX軸 VC 2V/度Y軸 IC 0.2mA/度階梯作用 重復(fù)極性 負(fù)（）階梯選擇 Vb 0.2V/級表4 3DO1場效應(yīng)管直流參數(shù)和gm參數(shù)符號IDSSVPgmRGSBVDSBVGSPDMIDSM單位mAVVVmWmA測試條件VDS=10VVGS=0VVDS=10VIDS=50AVDS=10VIDS=3mAVDS=10VVGS=10V3DO1D3DO1E3DO1F3DO