晶體管直流參數(shù)測量

實驗五用圖示儀測量二極管、三極管的直流參數(shù)晶體管在電子技術(shù)方面具有廣泛的應用。在制造晶體管和集成電路以及使用晶體管的過程中，都要檢測其性能。晶體管輸入、輸出及傳輸特性普遍采用直接顯示的方法來獲得特性曲線，進而可測量各種直流參數(shù)。晶體管直流參數(shù)測試儀很多，XJ-4810型晶體管特性圖示儀是最常用的一種。本實驗的目的是了解XJ-4810型特性圖示儀原理，掌握其使用方法，并用這種儀器進行晶體管直流參數(shù)測試及芯片檢測，分析晶體管質(zhì)量，分析晶體管質(zhì)量，找出失效原因，作為進一步改良器件性能的依據(jù)。一、實驗目的：1．熟悉晶體二極管、三極管的主要參數(shù)。2．學習使用萬用表判斷三級管極性和管腳的方法。3．學習使用XJ-4810型晶體管特性圖示儀測量晶體管的方法。4．熟悉XJ-4810型晶體管特性圖示儀。二、實驗儀器：XJ-4810型晶體管特性圖示儀、萬用表。三、實驗原理1．晶體二極管主要參數(shù)：〔1〕最大整流電流IF：二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流，由手冊查得。〔2〕正向壓降VD：二極管正向偏置，流過電流為最大整流電流時的正向壓降值，可用電壓表或晶體管圖示儀測得。〔3〕最大反向工作電壓VR：二極管使用時允許施加的最大反向電壓。可用電壓表或晶體管特性圖示儀測得反向擊穿電壓V(BR)后，取其1∕2即是?！?〕反向電流IR：二極管未擊穿時的反向電流值?！?〕最高工作頻率fM：一般條件下較難測得，可使用特性手冊提供的參數(shù)。〔6〕特性曲線：二極管特性曲線可以直觀地顯示二極管的特性。由晶體管特性圖示儀測得。2．穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)：〔1〕穩(wěn)定電壓VZ：穩(wěn)壓管中的電流為規(guī)定電流時，穩(wěn)壓管兩端的電壓值?！?〕穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時的電流值，參數(shù)手冊中給出。使用晶體管特性圖示儀測量此項參數(shù)比擬方便，可直接觀察到穩(wěn)壓管有較好穩(wěn)壓效果時對應的電流值，便是此值?！?〕動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)壓管兩端的電壓VZ和流過穩(wěn)壓管的電流I的變化量之比，可用電壓表、電流表共同測得，或用晶體管特性圖示儀測得，用下式計算：〔4〕額定功耗PZ：由生產(chǎn)廠規(guī)定，可由特性手冊中查到。3．晶體三極管主要參數(shù)：〔1〕直流電流放大系數(shù)：可用電流表或晶體管特性圖示儀測得集電極電流IC和基極電流IB后算出，也可用數(shù)字萬用表的HFE檔測得。計算公式：式中ICE0是三極管的穿透電流?！?〕穿透電流ICE0：基極開路時的IC值，此值反映了三極管的熱穩(wěn)定性，越小越好。〔3〕交流電流放大系數(shù)β：IC與IB的變化量之比。可由晶體管特性圖示儀測得ΔIC和ΔIB后根據(jù)下式計算：該參數(shù)也可表為hfe。兩者略有區(qū)別：β是指對應實際工作條件時的ΔIC與ΔIB之比，而hfe是指在給定條件下〔一般由生產(chǎn)廠給定〕的ΔIC與ΔIB之比。β與hfe的值根本相等，所以在使用時常常不予區(qū)別?！?〕反向擊穿電壓BVCE0：基極開路時，C、E之間的擊穿電壓。也可表示為U〔BR〕CE0。使用晶體管特性圖示儀測量十分方便。測量時應注意集電極功耗電阻應取10K以上，防止擊穿時集電極電流過大，使被測三極管因功耗過大燒毀?！?〕其它參數(shù)或在一般條件下不易測得，或在使用中意義不大，不再介紹。如果在使用中用到，可由三極管參數(shù)手冊查閱。4．圖示儀工作原理利用圖示儀測試晶體管輸出特性曲線的原理如圖1所示。圖中BG代表被測的晶體管，RB、EB構(gòu)成基極偏流電路。取EB>>VBE,可使IB=(EB-VBE)/RB根本保持恒定。在晶體管C-E之間參加一鋸齒波掃描電壓，并引入一個小的取樣電阻RC，這樣加到示波器上X軸和Y軸的電壓分別為Vx=Vce=Vca+Vac=Vca-IcRc≈VcaVy=-Ic.Rcα∝-Ic圖1測試輸出特性曲線的原理電路當IB恒定時，在示波器的屏幕上可以看到一根Ic—Vce的特性曲線，即晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線。為了顯示一組在不同IB的特性曲線簇Ici=Φ(Ici,Vce)應該在X軸的鋸齒波掃描電壓每變化一個周期時，使IB也有一個相應的變化，所以應將圖1中的EB改為能隨X軸的鋸齒波掃描電壓變化的階梯電壓。每一個階梯電壓能為被測管的基極提供一定的基極電流，這樣不同的階梯電壓VB1、VB2、VB3…就可對應地提供不同的恒定基極注入電流IB1IB2IB3…。只要能使每一階梯電壓所維持的時間等于集電極回路的鋸齒波掃描電壓周期，如圖2所示，就可以在T0時刻掃描出Ic0=Φ(Ib0,Vce)曲線，在T1時刻掃描出Ic1=Φ(Ib1,Vce)曲線…。通常階梯電壓有多少級，就可以相應地掃描出有多少根Ic=Φ(Ib,Vce)輸出曲線。JT-1型晶體管特性圖示儀是根據(jù)上述的根本工作原理而設(shè)計的。它由基極正負階梯信號發(fā)生器，集電極正負掃描電壓發(fā)生器，X軸、Y軸放大器和示波器等局部構(gòu)成，其組成框圖如3所示，詳細情況可參考圖示儀說明書。VVCET圖2基極階梯電壓與集電極掃描電壓間關(guān)系圖3圖示儀的組成框圖四、實驗步驟1、穩(wěn)壓二極管特性曲線測量2、三極管的判斷利用萬用表先判斷三極管的導電類型和管腳〔NPN型或PNP型，管腳e、b、c〕；三極管是由兩個PN結(jié)〔發(fā)射結(jié)、集電結(jié)〕組成的器件，一般具有3個引腳〔某些型號三極管〔例如3DG56型〕具有四只引腳，其中一個腳接管殼，供接地屏蔽用〕。使用萬用表可以判別三極管的極性〔NPN或PNP型〕、管腳〔e、b、c〕和估計三極管的性能好壞。〔1〕區(qū)分三極管的基極b：測量方法：用萬用表的紅、黑表筆分別接觸三極管的任意兩個管腳，測量一次后，如果電阻值無窮大〔指針表的表針不動；數(shù)字表只顯示“1”〕，那么將紅、黑表筆交換，再測這兩個管腳一次。如果兩次測得的電阻值都是無窮大，說明被測的兩個管腳是集電極c和發(fā)射極e，剩下的一個那么是基極b。如果在兩次測量中，有一次的阻值不是無窮大，那么換一個管腳再測，直到找出正、反向電阻都大的兩個管腳為止?！踩绻谌齻€管腳中找不出正、反向電阻都大的兩個管腳，說明三極管已經(jīng)損壞，至少有一個PN結(jié)已經(jīng)擊穿短路。〕〔2〕區(qū)分三極管的極性〔NPN、PNP〕：測出三極管的基極b后，通過再次測量來區(qū)分三極管是NPN型還是PNP型。將萬用表的正表筆〔指針表的黑表筆；數(shù)字表的紅表筆〕接觸的基極，用另一支表筆分別接觸另外兩個管腳，如果另外兩個管腳都導通，說明被測管是NPN型，否那么是PNP型。〔3〕區(qū)分發(fā)射極和集電極：三極管的發(fā)射結(jié)、集電結(jié)對稱于基極，所以僅僅通過測量“PN結(jié)單向?qū)щ娦浴彪y以區(qū)分出哪一個是發(fā)射極，哪一個是集電極。但發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的結(jié)構(gòu)有所不同。制造三極管時，發(fā)射區(qū)面積〔體積〕做得小，摻雜濃度高，便于發(fā)射載流子；而集電區(qū)面積大，摻雜濃度低，便于收集載流子，所以c、e正確連接電源時，三極管具有較大的電流放大的能力，用萬用表Ω檔測量，c、e之間的電阻小；當c、e與電源連接反了時，電流放大能力很差，c、e之間的電阻很大。使用數(shù)字萬用表來區(qū)分集電極和發(fā)射極十分方便。仍然需要先測出被測管的極性和基極。然后將數(shù)字表旋鈕對準HFE檔，將被測管按假定的e、c插入數(shù)字表的“三極管測量插座”中，其中基極和三極管的極性〔NPN或PNP〕必須正確，觀察并記錄數(shù)字顯示的被測管HFE值；交換假定的c、e之后再測一次。兩次測量中數(shù)值大的一次為正確插入。由此判斷出被測管的e和c。3、三極管的輸入、輸出特性曲線測量根據(jù)判斷結(jié)果，將三極管接入測試電路，調(diào)整相關(guān)旋鈕〔集電極掃描電壓、基極階梯信號等〕，觀測三極管的輸入、輸出特性曲線，并畫出測量曲線。４、β值的計算根據(jù)測量曲線，按β=ΔIc/ΔIb計算。五、思考題1、“功耗電阻”在測試中起什么作用？應根據(jù)什么來選取？2、為保證測試管的平安，在測試中應注意哪些事項？附錄：晶體管特性圖示儀的使用晶體管測量儀器是以通用電子測量儀器為技術(shù)根底，以半導體器件為測量對象的電子儀器。用它可以測試晶體三極管〔NPN型和PNP型〕的共發(fā)射極、共基極電路的輸入特性、輸出特性；測試各種反向飽和電流和擊穿電壓，還可以測量場效管、穩(wěn)壓管、二極管、單結(jié)晶體管、可控硅等器件的各種參數(shù)。下面以XJ4810型晶體特性圖示儀為例介紹晶體管圖示儀的使用方法。圖A-23XJ4810型半導體管特性圖示儀7.1XJ4810型晶體管特性圖示儀面板功能介紹XJ4810型晶體管特性圖示儀面板如圖A-23所示：1.集電極電源極性按鈕，極性可按面板指示選擇。2.集電極峰值電壓保險絲：1.5A。3.峰值電壓%：峰值電壓可在0～10V、0～50V、0～100V、0～500V之連續(xù)可調(diào)，面板上的標稱值是近似值，參考用。4.功耗限制電阻：它是串聯(lián)在被測管的集電極電路中，限制超過功耗，亦可作為被測半導體管集電極的負載電阻。5.峰值電壓范圍：分0～10V/5A、0～50V/1A、0～100V/0.5A、0～500V/0.1A四擋。當由低擋改換高擋觀察半導體管的特性時，須先將峰值電壓調(diào)到零值，換擋后再按需要的電壓逐漸增加，否那么容易擊穿被測晶體管。AC擋的設(shè)置專為二極管或其他元件的測試提供雙向掃描，以便能同時顯示器件正反向的特性曲線。6.電容平衡：由于集電極電流輸出端對地存在各種雜散電容，都將形成電容性電流，因而在電流取樣電阻上產(chǎn)生電壓降，造成測量誤差。為了盡量減小電容性電流，測試前應調(diào)節(jié)電容平衡，使容性電流減至最小。7.輔助電容平衡：是針對集電極變壓器次級繞組對地電容的不對稱，而再次進行電容平衡調(diào)節(jié)。8.電源開關(guān)及輝度調(diào)節(jié)：旋鈕拉出，接通儀器電源，旋轉(zhuǎn)旋鈕可以改變示波管光點亮度。9.電源指示：接通電源時燈亮。10.聚焦旋鈕：調(diào)節(jié)旋鈕可使光跡最清晰。11.熒光屏幕：示波管屏幕，外有座標刻度片。12.輔助聚焦：與聚焦旋鈕配合使用。13.Y軸選擇〔電流/度〕開關(guān)：具有22擋四種偏轉(zhuǎn)作用的開關(guān)。可以進行集電極電流、基極電壓、基極電流和外接的不同轉(zhuǎn)換。14.電流/度×0.1倍率指示燈：燈亮時，儀器進入電流/度×0.1倍工作狀態(tài)。15.垂直移位及電流/度倍率開關(guān)：調(diào)節(jié)跡線在垂直方向的移位。旋鈕拉出，放大器增益擴大10倍，電流/度各擋IC標值×0.1，同時指示燈14亮.16.Y軸增益：校正Y軸增益。17.X軸增益：校正X軸增益。18.顯示開關(guān)：分轉(zhuǎn)換、接地、校準三擋，其作用是：=1\*GB2⑴轉(zhuǎn)換：使圖像在Ⅰ、Ⅲ象限內(nèi)相互轉(zhuǎn)換，便于由NPN管轉(zhuǎn)測PNP管時簡化測試操作。=2\*GB2⑵接地：放大器輸入接地，表示輸入為零的基準點。=3\*GB2⑶校準：按下校準鍵，光點在X、Y軸方向移動的距離剛好為10度，以到達10度校正目的。19.X軸移位：調(diào)節(jié)光跡在水平方向的移位。20.X軸選擇〔電壓/度〕開關(guān)：可以進行集電極電壓、基極電流、基極電壓和外接四種功能的轉(zhuǎn)換，共17擋。21.“級/簇”調(diào)節(jié)：在0～10的范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)階梯信號的級數(shù)。22.調(diào)零旋鈕：測試前，應首先調(diào)整階梯信號的起始級零電平的位置。當熒光屏上已觀察到基極階梯信號后，按下測試臺上選擇按鍵“零電壓”，觀察光點停留在熒光屏上的位置，復位后調(diào)節(jié)零旋鈕，使階梯信號的起始級光點仍在該處，這樣階梯信號的零電位即被準確校正。23.階梯信號選擇開關(guān)：可以調(diào)節(jié)每級電流大小注入被測管的基極，作為測試各種特性曲線的基極信號源，共22擋。一般選用基極電流/級，當測試場效應管時選用基極源電壓/級。24.串聯(lián)電阻開關(guān)：當階梯信號選擇開關(guān)置于電壓/級的位置時，串聯(lián)電阻將串聯(lián)在被測管的輸入電路中。25.重復－－關(guān)按鍵：彈出為重復，階梯信號重復出現(xiàn)；按下為關(guān)，階梯信號處于待觸發(fā)狀態(tài)。26.階梯信號待觸發(fā)指示燈：重復按鍵按下時燈亮，階梯信號進入待觸發(fā)狀態(tài)。27.單簇按鍵開關(guān)：單簇的按動其作用是使預先調(diào)整好的電壓〔電流〕/級，出現(xiàn)一次階梯信號后回到等待觸發(fā)位置，因此可利用它瞬間作用的特性來觀察被測管的各種極限特性。28.極性按鍵：極性的選擇取決于被測管的特性。29.測試臺：其結(jié)構(gòu)如圖A-24所示。圖A-24XJ4810型半導體管特性圖示儀測試臺30.測試選擇按鍵：=1\*GB2⑴“左”、“右”、“二簇”：可以在測試時任選左右兩個被測管的特性，當置于“二簇”時，即通過電子開關(guān)自動地交替顯示左右二簇特性曲線，此時“級/簇”應置適當位置，以利于觀察。二簇特性曲線比擬時，請不要誤按單簇按鍵。=2\*GB2⑵“零電壓”鍵：按下此鍵用于調(diào)整階梯信號的起始級在零電平的位置，見〔22〕項。=3\*GB2⑶“零電流”鍵：按下此鍵時被測管的基極處于開路狀態(tài)，即能測量ICEO特性。31、32.左右測試插孔：插上專用插座〔隨機附件〕，可測試F1、F2型管座的功率晶體管。33、34、35.晶體管測試插座。36.二極管反向漏電流專用插孔〔接地端〕。在儀器右側(cè)板上分布有圖A-25所示的旋鈕和端子：圖A-25XJ4810型半導體管特性圖示儀右側(cè)板37.二簇移位旋鈕：在二簇顯示時，可改變右簇曲線的位置，更方便于配對晶體管各種參數(shù)的比擬。38.Y軸信號輸入：Y軸選擇開關(guān)置外接時，Y軸信號由此插座輸入。39.X軸信號輸入：X軸選擇開關(guān)置外接時，X軸信號由此插座輸入。40.校準信號輸出端：1V、0.5V校準信號由此二孔輸出。7.2測試前考前須知為保證儀器的合理使用，既不損壞被測晶體管，也不損壞儀器內(nèi)部線路，在使用儀器前應注意以下事項：1.對被測管的主要直流參數(shù)應有一個大概的了解和估計，特別要了解被測管的集電極最大允許耗散功率PCM、最大允許電流ICM和擊穿電壓BVEBO、BVCBO。2.選擇好掃描和階梯信號的極性，以適應不同管型和測試工程的需要。3.根據(jù)所測參數(shù)或被測管允許的集電極電壓，選擇適宜的掃描電壓范圍。一般情況下，應先將峰值電壓調(diào)至零，更改掃描電壓范圍時，也應先將峰值電壓調(diào)至零。選擇一定的功耗電阻，測試反向特性時，功耗電阻要選大一些，同時將X、Y偏轉(zhuǎn)開關(guān)置于適宜擋位。測試時掃描電壓應從零逐步調(diào)節(jié)到需要值。4.對被測管進行必要的估算，以選擇適宜的階梯電流或階梯電壓，一般宜先小一點，再根據(jù)需要逐步加大。測試時不應超過被測管的集電極最大允許功耗。5.在進行ICM的測試時，一般采用單簇為宜，以免損壞被測管。6.在進行IC或ICM的測試中，應根據(jù)集電極電壓的實際情況選擇，不應超過本儀器規(guī)定的最大電流，見表A-3。電壓范圍/V0～100～500～1000～500允許最大電流/A510.50.1表A-3最大電流對照表7.進行高壓測試時，應特別注意平安，電壓應從零逐步調(diào)節(jié)到需要值。觀察完畢，應及時將峰值電壓調(diào)到零。7.3根本操作步驟1.按下電源開關(guān)，指示燈亮，預熱15分鐘后，即可進行測試。2.調(diào)節(jié)輝度、聚焦及輔助聚焦，使光點清晰。3.將峰值電壓旋鈕調(diào)至零，峰值電壓范圍、極性、功耗電阻等開關(guān)置于測試所需位置。4.對X、Y軸放大器進行10度校準。5.調(diào)節(jié)階梯調(diào)零。6.選擇需要的基極階梯信號，將極性、串聯(lián)電阻置于適宜擋位，調(diào)節(jié)級/簇旋鈕，使階梯信號為10級/簇，階梯信號置重復位置。7.插上被測晶體管，緩慢地增大峰值電壓，熒光屏上即有曲線顯示。7.4測試實例1.晶體管hFE和β值的測量以NPN型3DK2晶體管為例，查手冊得知3DK2hFE的測試條件為VCE=1V、IC=10mA。將光點移至熒光屏的左下角作座表零點。儀器部件的置位詳見表A-4。表A-43DK2晶體管hFE、β測試時儀器部件的置位部件置位部件置位峰值電壓范圍0～10VY軸集電極電流1mA/度集電極極性+階梯信號重復功耗電阻250Ω階梯極性+X軸集電極電壓1V/度階梯選擇20μA逐漸加大峰值電壓就能在顯示屏上看到一簇特性曲線，如圖A-26所示.讀出X軸