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 iB =IBO =0, ic =ICEO ,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 iB =IBO =0 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 t1-t2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 0-t1的一样 ,由于 t1-t2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 4-5 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 4-5 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 4-6 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 4-7 所示。
图 4-7 输入特性曲线显示电路
从图 4-7 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 UBE -iB 平面。当集电极扫描电压和基极阶梯电流有如图 4-2 所示的对应关心时 , 图 4-7 电路的工作过程 (即输入特性曲线的显示过程将如图 4-8 所示。在 0-t1-t2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。
