微电子器件双极型晶体管寄生电容的测量实验报告

双极型晶体管特性的测量与分析课程实验报告实验名称双极型晶体管特性的测量与分析系别通信工程姓名郑滔学号2012102068班级微电子122班实验地点6503实验日期2014年12月25日评分指导老师姚尧同组成员刘明（2012102053）:张露漩(2012102078):刘佳欣(2012102066):杨豪(2012102051):杨倩(2012102084)=1:1:1:1:1一、实验内容（含实验原理介绍）：1、测量晶体管的输入特性曲线和输入电阻Ri；原理如下所示：在共射晶体管电路中，输出交流短路时，输入电压和输入电流之比为Ri，即常数CEVBBEiIVR；它是共射晶体管输入特性曲线斜率的倒数。所以通过输入特性曲线得到Ri的方法只需要截取输入特性的一部分，计算出它的斜率即可得到Ri：VVBBEiCEIVR10输入特性曲线：2、输出特性曲线、转移特性曲线和β、hFE、；原理如下所示：在共射电路中，输出交流短路时，输出电流和输入电流增量之比为共射晶体管交流电流放大系数β。在共射电路中，输出端短路时，输出电流和输入电流之比为共射晶体管直流电流放大系数hFE。输出电流与输入电流之比即为α。调节峰值电压得到输出特性曲线，由定义可以得到参数的值为：BCVCEVmACIBCVCEVmACIFEIIIIh10101010注：β＞hFE主要是因为基区表面复合等原因导致小电流β较小造成的。在共射晶体管输出特性曲线中，当IB为某一值时可读测出共射小讯号输出电导g，它是IB为某值时输出曲线的斜率，即常数BICEcVIg当接地选择打到“基极接地”，阶梯极性改为负（—），阶梯选择改为2mA/级（这时注入电流以为IE），图示仪上则显示出共基晶体管输出特性，并可读测出值：常数CBVECII输出特性曲线和转移特性曲线：3、反向击穿电压BVCBO、BVCEO和BVEBO；原理如下所示：BVCBO是共基晶体管在发射极开路时输出端C—B间的反向击穿电压。BVCEO是共射晶体管在基极开路时输出端C—E间的反向击穿电压。晶体管手册中（或实际测试中）的规定为：BVCBO——发射极开路，集电极电流为规定值时，C—B间的反向电压值。BVCEO——基极开路，集电极电流为规定值时，C—E间的反向电压值。BVEBO——集电极开路，发射极电流为规定值时，E—B间的反向电压值。理论上可推导出noCBOCEOBVBV1/对硅npn管，n=4。硅双扩散管的基区平均杂质浓度＞＞NcNB，所以，一般BVCBO＞BVCEO＞BVEBO，而锗合金管CB＜＜NN，所以，一般BVCBO≈BVEBO＞BVCEO。将峰值电压调整到合适的值后，得到击穿电压测量值得示意图如下所示：以及测量晶体管击穿电压的连接图：4、反向电流ICBO、ICEO和IEBO；原理如下所示：晶体管的反向电流通常包括反向扩散电流ID、势垒区产生电流IG和表面漏电流IS。在室温下，硅管的IG＞＞ID，锗管则ID＞IG。一般硅管的反向电流远小于锗管的反向电流。由于XJ4810图示仪的测试精度所限，绝大部分中小功率硅管的反向电流不能用XJ4810图示仪读测，而只能用专用仪器（如JS2B晶体三极管反向截止电流测试仪）测量。电流ICBO，ICEO、IEBO的定义如下：ICBO——发射极开路，C—B间反压为规定值时的反向电流；ICEO——基极开路，C—E间反压为规定值时的反向电流；IEBO——集电极开路，E—B间反压为规定值时的反向电流。锗管的反向电流，在图示仪上有可能观察到。ICBO——发射极开路，C—B间反压为规定值时的反向电流；ICEO——基极开路，C—E间反压为规定值时的反向电流；IEBO——集电极开路，E—B间反压为规定值时的反向电流。锗管的反向电流，在图示仪上有可能观察到，得到晶体管反向电流的测量示值：5、XJ4810半导体管特性图示仪的基本原理方框图以及各部分的作用：（1）基极阶梯信号发生器提供必须的基极注入电流。（2）集电极扫描电压发生器提供从零开始、可变的集电极电源电压。（3）同步脉冲发生器用来使基极阶梯信号和集电极扫描电压保持同步，以便正确而稳定地显示特性曲线（当集电极扫描电压直接由市电全波整流取得时，同步脉冲发生器可由50Hz市电代替）。（4）测试转换开关是用于测试不同接法和不同类型晶体管的特性曲线和参数的转换开关。（5）放大和显示电路用于显示被测管的特性曲线。（6）电源（图中未画出）为各部分电路提供电源电压。如需更深入了解XJ4810图示仪的原理和电路，请参阅XJ4810图示仪使用说明和资料[1]。二、实验目的：1．弄清双极型晶体管主要参数的物理意义和图示仪的基本使用方法。2．测试样品为S9013，弄清这器件的类型和引脚。3．测量该晶体管的输出特性曲线，在VCE为10V、第六级曲线处求电流放大倍数β(交流)、HFE(直流)。用转移特性曲线再次测量这两个参数，将两次结果进行对比。4．测量晶体管的极限参数BVebo、BVceo、BVcbo、Iceo、Icbo。5.将测试结果和测试条件列表表示并与标准参数进行比较,看看所测的器件是否合格。6.测量晶体管的输入特性曲线，转移特性曲线。7.并根据各种特性曲线计算相应的参数。三、涉及实验的相关情况介绍（包含使用软件或实验设备等情况）：1．实验器材（1）XJ4810型半导体管特性图示仪一台及使用说明书一份。（2）半导体器件S9013双极性晶体管2．仪器调节与测试要求（1）开启电源，预热15min后使用（2）示波管部分①调辉度，以适中亮度为宜。②调聚焦和辅助聚焦，使光点清晰。测npn管时光点移至左下角，测pnp管时光点移至右上角。（3）集电极扫描将集电极扫描的全部旋钮都调到预见需要的范围，一般峰值电压范围先置于0~10V，峰值电压（旋钮）调至最小。（4）y轴作用将毫安—伏/度与倍率调到需读测的范围。（5）x轴作用将伏/度调到需读测的范围。（6）基极阶梯信号通常先进行阶梯调零（方法见XJ4810图示仪使用说明书）。阶梯调零后，根据需要，将极性，串联电阻、阶梯选择（毫安/级或伏/级）调好，阶梯作用置于“重复”。（7）测试台部分按面板指示操作。测试时应注意：①每次测试时应把光点调到和坐标原点重合，测VCES、VBES时尤其要注意。②每次测试前应把峰值电压调到最小，要缓慢进行调节，以免损坏仪器部件。③测高反压管的反向耐压和反向电流时，功耗电阻应选大些，以免烧坏被测管。④在满功耗附近测量共射晶体管输出特性时，扫描时间不能过长，以免损坏被测管，对未加散热器的大功率管测试尤其要注意。⑤用XJ4810图示仪鉴别晶体管类型pnp或npn和管脚极性时，应选用不会损坏被测管的低电压和小电流。例如VCE=0.3V、IC=1mA。（8）根据3DK4DJ的测试条件测出参数hFE、β、BVCBO、BVCEO、BVEBO、ICBO、ICEO和IEBO，记下测试数据和画出波形。四、实验结果（含程序、数据记录及分析和实验总结等，可附页）：1、输入特性曲线和输入电阻Ri：各旋钮位置为：峰值电压范围0~10V极性（集电极扫描）正（+）极性（阶梯）正（+）功耗限制电阻0.1~1kΩ（适当选择）x轴作用电压0.1V/度y轴作用（阶梯档）阶梯作用重复阶梯选择0.1mA/级测试时，在未插入样管时先将x轴集电极电压置于1V/度，调峰值电压为10V，然后插入样管，将x轴作用扳到电压0.1V/度，即得VCE=10V时的输入特性曲线。这样可测得输入特性曲线，如下所示：由输入特性曲线得到输入电阻Ri的值为：2、输出特性曲线、转移特性曲线和β、hFE、：旋钮位置如下：（数据是其它元件的，请自己调试数据得出图形）峰值电压范围0~5V（调试参考10V）极性（集电极扫描）正（+）极性（阶梯）正（+）功耗限制电阻0.1~1k（调试参考250）x轴集电极电压0.5V/度.1101.01.0310KIVRVVBBEiCEy轴集电极电流0.1mA/度阶梯选择0.02mA/级（调试参考10UA/级）阶梯作用重复调节峰值电压得到图1-6所示共射晶体管输出特性曲线：并可读得β、hFE的值为：此外，在共射晶体管输出特性曲线中，当IB为某一值时可读测出共射小讯号输出电导g，它是IB为某值时输出曲线的斜率，即3、反向击穿电压BVCBO、BVCEO和BVEBO的测量：S9013的BVCBO和BVCEO的测试条件为IC=100μABVEBO的为IE=100μA。晶体管的接法如上图所示。旋钮位置为：峰值电压范围0~200V（测BVCBO，BVCEO）0~20V（测BVEBO）极性（集电极扫描）正（+）11002.02.21001.01010101010BCVCEVmACIBCVCEVmACIFEIIIIh常数BICEcVIg功耗电阻5~50kx轴集电极电压10V/度（测BVCBO，BVCEO）1V/度（测BVEBO）y轴集电极电流0.1mA/度4、反向电流ICBO、ICEO和IEBO的测量：下面以锗管3AX31B为例，测量其反向电流。晶体管接法同图1-10，测量示值如图1-12所示。旋钮位置为：峰值电压范围0~50V极性（集电极扫描）负（—）功耗电阻1~10K（反压高时电阻大些）x轴集电极电压1V/度y轴集电极电流0.01~0.5mA（适当选择）阶梯作用关注：由于器材的原因，实验中的3和4没有完成，缺乏图片和具体数据。五、思考题1、为什么晶体管的输出特性曲线的尾部会上翘？由于Uce越大时，Jc的方向偏置电压越大，集电极越宽，使得基区越薄，发射极多子扩散到基区以后，与基区多子复合几率变少，若要保持iB不变，就会有更多的多子从发射区扩散到基区，ic将会增加，这就是基区宽度调制效应（厄尔利效应）2、为什么晶体管的输出特性曲线会呈现出斜线？如果我们在晶体管的输出特性曲线上（Ib不变）选取一个点Uce和与之对应的Ic，他们的乘积就是功耗P，我们可以得到不同Ib的Pcm点，将他们连接起来就是一条斜线，由于Ib的增加，晶体管的功耗就会上升，所以Pcm将会向左边移动，反之，Ib减小功耗降低，Pcm就会向右移动，从而构成了斜线。3、分别晶体管的共发射极电路、共集电极电路以及共基极电路的作用。共发射极电路：输入信号与输出信号反相；有电压放大作用；有电流放大作用；功率增益最高（与共集电极、共基极比较）；适用于电压放大与功率放大电路。共集电极电路：输入信号与输出信号同相；无电压放大作用，电压增益小于1且接近于1，因此共集电极电路又有“电压跟随器”之称；电流增益高，输入回路中的电流iB输出回路中的电流iE和iC；有功率放大作用；适用于作功率放大和阻抗匹配电路；在多级放大器中常被用作缓冲级和输出级。共基极电路：输入信号与输出信号同相；电压增益高；电流增益低（≤1）；功率增益高；适用于高频电路。共基极放大电路的输入阻抗很小，会使输入信号严重衰减，不适合作为电压放大器。但它的频宽很大，因此通常用来做宽频或高频放大器。在某些场合，共基极放大电路也可以作为“电流缓冲器”（CurrentBuffer）使用。六、结论通过此次实验，让我们更加深刻的认识到双极性晶体管的各种特性和参数的测量，对晶体管的认识更加深一步，也为以后关于晶体管的研究和相应的电路设计打下坚实的基础。也对半导体图示仪仪器的原理更加了解。