1、1、 雙極型晶體管特性的測量與分析雙極型晶體管特性的測量與分析 2、場效應晶體管特性的測量與分析場效應晶體管特性的測量與分析 3、晶體管開關時間的測量晶體管開關時間的測量 4、晶體管特征頻率的測量晶體管特征頻率的測量 金屬封裝金屬封裝底視圖位置放置，使三個引腳構成等腰三角底視圖位置放置，使三個引腳構成等腰三角形的頂點上，從左向右依次為形的頂點上，從左向右依次為e b c； 對于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個引對于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己，三個引腳朝下放置，則從左到右依次為腳朝下放置，則從左到右依次為e b c。 實驗采用金屬封裝和塑料封裝的實驗采用金屬封裝和塑料封裝

2、的9013NPN器件，其管腳如器件，其管腳如下排列：下排列： 實驗采用塑料封裝的實驗采用塑料封裝的2N7000增強型增強型N溝溝MOS器件，其管器件，其管腳如下排列：腳如下排列： 基本測試原理電路如下圖所示，測試時用逐點測試的方法基本測試原理電路如下圖所示，測試時用逐點測試的方法把一條條的曲線描繪出來。把一條條的曲線描繪出來。 本實驗要求：本實驗要求：（1）了解）了解XJ4810半導體管特性圖示儀的基本半導體管特性圖示儀的基本 原理方框圖及每部分的作用。原理方框圖及每部分的作用。（2）了解被測管各項參數的定義及讀測方法。）了解被測管各項參數的定義及讀測方法。（3）掌握晶體管特性常見缺陷及其產生

3、原因。）掌握晶體管特性常見缺陷及其產生原因。 （1）輸入特性曲線和輸入電阻）輸入特性曲線和輸入電阻Ri 在共射晶體管電路中，輸出交流短路時，輸入電壓和在共射晶體管電路中，輸出交流短路時，輸入電壓和輸入電流之比為輸入電流之比為Ri，即，即 常數CEVBBEiIVR 測晶體管在測晶體管在VCE = 10V時某一工作點時某一工作點Q的的Ri值，晶體管接值，晶體管接法如圖所示。各旋鈕位置為：法如圖所示。各旋鈕位置為： 峰值電壓范圍峰值電壓范圍 010V 極性（集電極掃描）極性（集電極掃描） 正（正（+） 極性（階梯）極性（階梯） 正（正（+） 功耗限制電阻功耗限制電阻 0.11k（適當選擇）（適當選擇

4、） x軸作用軸作用 電壓電壓0 .1V/度度 y軸作用軸作用 階梯作用階梯作用 重復重復 階梯選擇階梯選擇 0.1mA/級級 （2）輸出特性曲線）輸出特性曲線、和和hFE BEBCC0,0BVVIIBEBCCFE0,0BVVIhI11002. 02 . 21001 . 01010101010BCVCEVmACIBCVCEVmACIFEIIIIhBECECBCEOexp1q VVIIIkT測試晶體管輸出特性曲線時，旋鈕設置如下：測試晶體管輸出特性曲線時，旋鈕設置如下： 峰值電壓范圍峰值電壓范圍 010V 極性（集電極掃描）極性（集電極掃描） 正（正（+） 極性（階梯）極性（階梯） 正（正（+）

5、功耗限制電阻功耗限制電阻 0.11k（適當選擇）（適當選擇） x軸作用軸作用 電壓電壓1V/度度 y軸作用軸作用 電流電流0.1mA/度度 階梯作用階梯作用 重復重復 階梯選擇階梯選擇 0.1mA/級級、hFE也可用共射晶體管的轉移特性進行測量。也可用共射晶體管的轉移特性進行測量。只要將上述的只要將上述的x軸作用開關撥至軸作用開關撥至 ，即得到共射，即得到共射晶體管的轉移特性。這種曲線可直接觀察晶體管的轉移特性。這種曲線可直接觀察的線的線性好壞。性好壞。（3）飽和壓降）飽和壓降VCES和正向壓降和正向壓降VBES VCES和和VBES是功率管的重要參數，對開關管尤其重要。是功率管的重要參數，對

6、開關管尤其重要。 VCES是共射晶體管飽和態時是共射晶體管飽和態時C-E間的壓降。間的壓降。VBES是共射晶體是共射晶體管飽和態時管飽和態時B-E間的壓降。一般硅管的間的壓降。一般硅管的VBES =0.70.8V，鍺管鍺管的的VBES =0.30.4V。 VCES的大小與襯底材料和測試條件有一定的關系。的大小與襯底材料和測試條件有一定的關系。VBES與芯與芯片表面的鋁硅接觸情況有關，鋁硅合金不好，或光刻引線孔片表面的鋁硅接觸情況有關，鋁硅合金不好，或光刻引線孔時殘留有薄氧化層都會導致時殘留有薄氧化層都會導致VBES過大。過大。 當測試條件為當測試條件為IC=10mA、IB=1mA時，圖示儀的旋

7、鈕位置時，圖示儀的旋鈕位置如下：如下： 峰值電壓范圍峰值電壓范圍 050V 功耗電阻功耗電阻 0.51K 極性（集電極掃描）極性（集電極掃描） 正（正（+） 極性（階梯）極性（階梯） 正（正（+） x軸軸 集電極電壓集電極電壓0.05V/度度 y軸軸 集電極電流集電極電流1mA/度度 階梯信號選擇階梯信號選擇 0.1mA/級級 階梯信號階梯信號 重復重復 級級/族族 10 調峰值電壓，使第調峰值電壓，使第10級（即第級（即第11根）曲線與根）曲線與IC=10mA的線相的線相交，此交點對應的交，此交點對應的VCE值即為值即為VCES（如圖所示，如圖所示，VCES=0.15V）。）。將將y軸作用撥

8、至軸作用撥至 ，x軸作用撥至基極電壓軸作用撥至基極電壓0.1V/度，即得如圖度，即得如圖所示的輸入特性曲線。此曲線與所示的輸入特性曲線。此曲線與IB=1mA的線交點對應的的線交點對應的VBE值即值即為為VBES（如圖所示，如圖所示，VBES = 0.78V）。）。 (4) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓BVCBO、BVCEO和和BVEBO 外延片制作的雙極晶體管的反向擊穿電壓外延片制作的雙極晶體管的反向擊穿電壓VB，既與外延層電既與外延層電阻率阻率 c有關，也與結的曲率半徑和表面狀況等因素有關。當有關，也與結的曲率半徑和表面狀況等因素有關。當高阻集電區厚度高阻集電區厚度Wc小于小于BVCBO所對應的

9、勢壘寬度所對應的勢壘寬度xmB時，時，VB還與還與WC有關。所以提高晶體管反向耐壓可采取提高有關。所以提高晶體管反向耐壓可采取提高c、WC，減小二氧化硅中表面電荷密度，采用圓角基區圖形，深結擴減小二氧化硅中表面電荷密度，采用圓角基區圖形，深結擴散、甚至采用臺面結構、擴展電極或加電場限制環等措施。散、甚至采用臺面結構、擴展電極或加電場限制環等措施。 BVCBO是共基晶體管在發射極開路時輸出端是共基晶體管在發射極開路時輸出端CB間的反向擊間的反向擊穿電壓。穿電壓。BVCEO是共射晶體管在基極開路時輸出端是共射晶體管在基極開路時輸出端C CE E間的間的反向擊穿電壓。晶體管手冊中（或實際測試中）的規

10、定為：反向擊穿電壓。晶體管手冊中（或實際測試中）的規定為： BVCBO: :發射極開路，集電極電流為規定值時，發射極開路，集電極電流為規定值時，C- -B間的反向電壓值。間的反向電壓值。BVCEO: :基極開路，集電極電流為規定值時，基極開路，集電極電流為規定值時，C- -E間的反向電壓值。間的反向電壓值。BVEBO: :集電極開路，發射極電流為規定值時，集電極開路，發射極電流為規定值時，E- -B間的反向電壓值。間的反向電壓值。 旋鈕位置為：旋鈕位置為： 峰值電壓范圍峰值電壓范圍 0200V（測（測BVCBO，BVCEO） 020V （測（測BVEBO） 極性（集電極掃描）極性（集電極掃描）

11、 正（正（+） 功耗電阻功耗電阻 550k x軸軸 集電極電壓集電極電壓10V/度（測度（測BVCBO，BVCEO） 1V/度（測度（測BVEBO） y軸軸 集電極電流集電極電流0.1mA/度度 將峰值電壓調整到合適的值，即可得到下圖所示的值，圖例將峰值電壓調整到合適的值，即可得到下圖所示的值，圖例表明表明BVCBO=70V，BVCEO=40V、BVEBO=7V。 小注入時小注入時過小，此時的特過小，此時的特點是小注入時特性曲線密集。點是小注入時特性曲線密集。它的產生原因是基區表面復它的產生原因是基區表面復合嚴重、發射結勢壘復合較合嚴重、發射結勢壘復合較強、發射結表面漏電大。強、發射結表面漏電

12、大。 大注入時大注入時過小過小, 此時的特點此時的特點是大注入時特性曲線密集。是大注入時特性曲線密集。它的產生原因是基區電導調它的產生原因是基區電導調制效應和有效基區擴展效應。制效應和有效基區擴展效應。 晶體管特性常見缺陷及其產生原因晶體管特性常見缺陷及其產生原因 特性曲線分散傾斜，此時的特點特性曲線分散傾斜，此時的特點是零線較平坦，其它曲線分散傾是零線較平坦，其它曲線分散傾斜。產生原因是基區摻雜濃度過斜。產生原因是基區摻雜濃度過低，寬度過窄，導致基區調變效低，寬度過窄，導致基區調變效應嚴重。應嚴重。 反向漏電流大反向漏電流大 反向漏電流大有兩反向漏電流大有兩方面：方面： 溝道漏電。溝道漏電的

13、溝道漏電。溝道漏電的特點是起始電流大，零注入曲線升特點是起始電流大，零注入曲線升高。它產生的原因是二氧化硅中正高。它產生的原因是二氧化硅中正電荷密度過大，導致晶體管電荷密度過大，導致晶體管P區表區表面反型，出現面反型，出現n型溝道。型溝道。 反向漏電大圖。反向漏電大反向漏電大圖。反向漏電大的特點是特性曲線全部傾斜。的特點是特性曲線全部傾斜。產生的原因是表面吸附有大產生的原因是表面吸附有大量雜質離子、原材料缺陷多、量雜質離子、原材料缺陷多、勢壘區附近有大量雜質沉積勢壘區附近有大量雜質沉積和大量重金屬雜質沾污。和大量重金屬雜質沾污。 管道型擊穿。特點是擊穿曲線管道型擊穿。特點是擊穿曲線像折線或近似

14、折線。原因是形像折線或近似折線。原因是形成的基區光刻小島，有成的基區光刻小島，有PN結尖結尖峰、材料中有位錯集中點或表峰、材料中有位錯集中點或表面有破壞點等形成的基區局部面有破壞點等形成的基區局部穿通，硼擴前表面有穿通，硼擴前表面有n型雜質和型雜質和灰塵沾污形成的基區反型雜質灰塵沾污形成的基區反型雜質管道等。管道等。 硬低擊穿，硬低擊穿的特點是硬低擊穿，硬低擊穿的特點是擊穿特性硬，擊穿電壓低。原擊穿特性硬，擊穿電壓低。原因與管道型擊穿類似。如集電因與管道型擊穿類似。如集電結有缺陷集中點或局部損傷以結有缺陷集中點或局部損傷以至斷裂；基區大面積穿通或存至斷裂；基區大面積穿通或存在大的反型雜質管道。

15、在大的反型雜質管道。 軟擊穿，軟擊穿的特點是反軟擊穿，軟擊穿的特點是反向漏電大，沒有明顯的擊穿向漏電大，沒有明顯的擊穿點。產生原因與反向漏電大點。產生原因與反向漏電大相同。相同。 飽和壓降大，曲線上升部分不陡飽和壓降大，曲線上升部分不陡或淺飽和區寬。原因：或淺飽和區寬。原因：c、Wc過過大，導致大，導致rcs過大或在低壓下集電結過大或在低壓下集電結勢壘區載流子達不到極限散射速勢壘區載流子達不到極限散射速度；基區摻雜濃度很低時也會導度；基區摻雜濃度很低時也會導致致VCES增大。增大。 飽和壓降大，飽和壓降大，低電壓下曲線上升低電壓下曲線上升很緩慢，其它部分較正常，俗稱很緩慢，其它部分較正常，俗稱

16、“有小尾巴有小尾巴”。原因：燒結條件。原因：燒結條件掌握不好，管芯與管座接觸電阻掌握不好，管芯與管座接觸電阻rcbn過大。過大。 3、 實驗步驟實驗步驟 a. 開啟電源，預熱開啟電源，預熱5分鐘，分鐘，調節調節“輝度輝度”、“聚聚焦焦”、“輔助聚焦輔助聚焦”使使顯示清晰。顯示清晰。b. 識別晶體管的管腳，及識別晶體管的管腳，及用萬用表驗證。根據實用萬用表驗證。根據實驗方法進行測試。驗方法進行測試。c. 測試完成后，將測試完成后，將“峰值峰值電壓電壓”調回零。調回零。 MOS場效應晶體管是是現代超大規摸數字集成電路的基場效應晶體管是是現代超大規摸數字集成電路的基礎器件。礎器件。 1、實驗原理、實

17、驗原理 晶體管特征圖示儀提供漏源電壓晶體管特征圖示儀提供漏源電壓Vds的鋸齒波掃描電壓的鋸齒波掃描電壓和柵極電壓和柵極電壓Vg的階梯變化，且兩者一一對應，便產生的階梯變化，且兩者一一對應，便產生Vg從從Vg0、Vg1、Vg2等等Vce從零到最大值的曲線族。場效應晶體從零到最大值的曲線族。場效應晶體管的直流特性包含：直流輸入特性管的直流特性包含：直流輸入特性 IdsVgs；直流輸；直流輸出特性出特性 IdsVds和閾值電壓和閾值電壓Vt。 實驗儀器為實驗儀器為XJ4810XJ4810圖示儀，與測量雙極晶體管直流參數相圖示儀，與測量雙極晶體管直流參數相似，但由于所檢測的場效應管是電壓控制器件，測量

18、中須似，但由于所檢測的場效應管是電壓控制器件，測量中須將輸入的基極電流改換為基極電壓，這可將基極階梯選擇將輸入的基極電流改換為基極電壓，這可將基極階梯選擇選用電壓檔（伏選用電壓檔（伏/ /級）；也可選用電流檔（毫安級）；也可選用電流檔（毫安/ /級），但級），但選用電流檔必須在測試臺的選用電流檔必須在測試臺的B-EB-E間（相當于場效應管的間（相當于場效應管的G.SG.S之間）外接一個電阻（如接之間）外接一個電阻（如接1 1kk電阻），將輸入電流轉換電阻），將輸入電流轉換成輸入電壓。成輸入電壓。 測量時將測量時將場效應管的場效應管的管腳與雙極管腳一一對應，即管腳與雙極管腳一一對應，即S S（源

19、極）（源極）對應對應E E（發射極）；（發射極）；G G（柵極）對應（柵極）對應B B（基極）；（基極）；D D（漏極）（漏極）對應對應C C（集電極）。（集電極）。 值得注意的是，測量值得注意的是，測量MOSMOS管時，若沒有外接電阻，必須避免管時，若沒有外接電阻，必須避免階梯選擇直接采用電流檔，以防止損壞管子。階梯選擇直接采用電流檔，以防止損壞管子。 （1）輸出特性與轉移特性）輸出特性與轉移特性 輸出特性曲線（輸出特性曲線（IDSVDS）即漏極特性曲線，它與雙極管）即漏極特性曲線，它與雙極管的輸出特性曲線相似，如圖所示。在曲線中，工作區可分為的輸出特性曲線相似，如圖所示。在曲線中，工作區可

20、分為三部分：三部分：I 是線性區（或稱非飽和區）；是線性區（或稱非飽和區）； 是飽和區；是飽和區； 是是擊穿區。擊穿區。 （2）閾電壓）閾電壓VT 開啟電壓開啟電壓VT是對增強型管而言。它表示在一定漏源電壓是對增強型管而言。它表示在一定漏源電壓VDS下，下，開始有漏電流時對應的柵源電壓值。開始有漏電流時對應的柵源電壓值。 將將MOS場效應晶體管場效應晶體管G、D、S分別接入圖示儀的分別接入圖示儀的B、C、E端，端，將將B、C端短路使其處于飽和狀態。端短路使其處于飽和狀態。 圖示儀選擇圖示儀選擇NPN、發射極接地、階梯單族、階梯電流最小。、發射極接地、階梯單族、階梯電流最小。 由由 IdsVgs

21、得得Vt。（3）跨導）跨導(gm) 跨導是漏源電壓一定時，柵壓微分增量與由此而產跨導是漏源電壓一定時，柵壓微分增量與由此而產生的漏電流微分增量之比，即生的漏電流微分增量之比，即 跨導表征柵電壓對漏電流的控制能力，是衡量場效跨導表征柵電壓對漏電流的控制能力，是衡量場效應管放大作用的重要參數，類似于雙極管的電流放應管放大作用的重要參數，類似于雙極管的電流放大系數，測量方法也很相似。大系數，測量方法也很相似。 跨導常以柵壓變化跨導常以柵壓變化1V時漏電流變化多少微安或毫安時漏電流變化多少微安或毫安表示。它的單位是西門子，用表示。它的單位是西門子，用S表示，表示，1S=1A/V?；颉；蛴脷W姆的倒數用歐

22、姆的倒數“姆歐姆歐”表示。表示。CVGSDSmDSVIg（4）擊穿電壓（）擊穿電壓（BVDS） 當柵源電壓當柵源電壓VGS為一定值時，使漏電流為一定值時，使漏電流IDS開始急劇增加的漏開始急劇增加的漏源電壓值，用源電壓值，用BVDS表示。當表示。當VGS不同時，不同時， BVDS亦不同，通亦不同，通常把常把VGS=0時對應的漏源擊穿電壓記為時對應的漏源擊穿電壓記為BVDS 。 將峰值電壓旋鈕轉回原始位置，電壓范圍改為將峰值電壓旋鈕轉回原始位置，電壓范圍改為0200V，x軸軸集電極電壓改為集電極電壓改為5V/度，或度，或10V/度，加大功耗電阻，再調節度，加大功耗電阻，再調節峰值電壓，最下面一條

23、輸出特性曲線的轉折點處對應的峰值電壓，最下面一條輸出特性曲線的轉折點處對應的x軸軸電壓，即為電壓，即為BVDS值。值。 晶體管特征頻率定義為共射極輸出交流短路電流放大系晶體管特征頻率定義為共射極輸出交流短路電流放大系數隨頻率下降到數隨頻率下降到1時的工作頻率，是晶體管的重要參數。采用時的工作頻率，是晶體管的重要參數。采用“増益増益帶寬帶寬”積的方法進行測量。積的方法進行測量。 1 1、實驗原理、實驗原理 晶體管放大系數晶體管放大系數 與頻率的關系如下：與頻率的關系如下： 21201ff 直接在利用晶體管放大系數為直接在利用晶體管放大系數為1的條件測量晶體管特征頻的條件測量晶體管特征頻率較為困難

24、，而利用下式，根據圖中率較為困難，而利用下式，根據圖中 的線的線性關系則可在較低頻率測量特征頻率，這就是性關系則可在較低頻率測量特征頻率，這就是“増益増益帶帶寬寬”積的測量方法。積的測量方法。 晶體管如果再忽略寄生電容的影響，那么特征頻率可以表晶體管如果再忽略寄生電容的影響，那么特征頻率可以表示為示為 ffffffT012max2 (/ 2/ 2)TeTeBBdccsTCfrCWDvr C2 ()ebbde fT是發射結電阻，基區寬度，勢壘電容各勢壘區寬度等的函是發射結電阻，基區寬度，勢壘電容各勢壘區寬度等的函數。而這些參數雖然主要取決于晶體管的結構，但也與晶數。而這些參數雖然主要取決于晶體管

25、的結構，但也與晶體管的工作條件有關，即工作偏置不同也不等。體管的工作條件有關，即工作偏置不同也不等。12max2 (/ 2/ 2)TeTeBBdccsTCfrCWDvr C2dcBecTEcsTCTEBmax1211222xWkTCr CfqIDv 小電流時小電流時, ,隨著隨著 IE 或或 IC 的增大，的增大， eb 減小，使減小，使 fT 提高，所以提高，所以 。但是當電流很大時，。但是當電流很大時， eb 的的影響變小，甚至可以略去。影響變小，甚至可以略去。 大電流時，當基區發生縱向擴展大電流時，當基區發生縱向擴展 WB 時，使基區渡越時間時，使基區渡越時間 。同時，集電結勢壘區厚度將

26、減小。同時，集電結勢壘區厚度將減小 WB ，使集電結勢壘，使集電結勢壘區延遲時間區延遲時間 ，使使 。由于。由于 b 與與 CTC 的的增加要比增加要比 d 的減小大得多，所以的減小大得多，所以 一般情況下，在集電極工作電壓一定，一般情況下，在集電極工作電壓一定，IE ICM 時?？山茣r。可近似認為認為b， d , c 與與IE無關，因而通過測量無關，因而通過測量 fT 隨隨IE的變化，并的變化，并作出作出 1/ fT 與與1/IE的關系曲線，由曲線斜率即可求出的關系曲線，由曲線斜率即可求出 CTe 的近的近似值，同時由曲線的截距求得的似值，同時由曲線的截距求得的b+d +c近似值。近似值。

27、)1.(21edbTeETCIqkTf 測試裝置如圖所示。其中信號源提供測試裝置如圖所示。其中信號源提供fff范圍內的所需范圍內的所需要的點頻信號電流，電流調節器控制輸入被測管的基極電流，要的點頻信號電流，電流調節器控制輸入被測管的基極電流，測試回路和偏置電源向被測管提供規范偏置條件，寬帶放大測試回路和偏置電源向被測管提供規范偏置條件，寬帶放大器則對被測管的輸出信號進行放大，顯示系統指示值。顯示器則對被測管的輸出信號進行放大，顯示系統指示值。顯示表頭指示的參數是經被測管放大了的信號源電流信號，但經表頭指示的參數是經被測管放大了的信號源電流信號，但經測試前后的測試前后的“校正校正” 可轉換成相應的值?？赊D換成相應的值。 實驗步驟實驗步驟a.a.熟悉晶體管特征頻率測試儀的測量范圍，信號源工作頻率，熟悉晶體管特征頻率測試儀的測量范圍，信號源工作頻率，然后開機預熱。然后開機預熱。 b.b.確定信號源工作頻率，校準儀器。確定信號源工作頻率，校準儀器。 c.c.按實驗方法所述進行測量。按實驗方法所述進行測量。 實驗數據實驗數據a.特征頻率分別與特征頻率分別與Ie的關系；的關系；b.b.特征頻率分別與特征頻率分別與Vce的關系；的關系；c.c.特征頻率與發射結并聯電容的關系。特征頻率與發射結并聯電容的關系。 晶體管開關時間是衡量晶體管開關速度特性的重要參數。它晶體管開關時間是衡量晶體管開關速度