微电子器件实验指导书(实验3)

实验指导书

实验名称：实验三 晶体管开关时间的测量 学时安排：4学时 实验类别：验证性 实验要求：必做

￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ 一、实验目的和任务

1、测量双极型晶体管的开关时间；

2、熟悉开关时间的测试原理、掌握开关时间的测试方法； 3、研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。

二、实验原理介绍

图7.1 晶体管开关电路示意图 图7.2 开关晶体管输入、输出波形

图7.1是典型的NPN晶体管开关电路，图中RL和RB分别为负载电阻和基极偏置电阻-VBB

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和+VCC分别为基极和集电极的偏置电压。

如果给晶体管基极输入一脉冲信号Vb，基极和集电极电流ib和ic的波形如图7.2所示。 当基极无信号输入时，由于负偏压VBB的作用，使晶体管处于截至状态，集电极只有很小的反向漏电流即ICEO通过，输出电压接近于电源电压+VCC。此时晶体管相当于一个断开的开关。

当给晶体管输入正脉冲Vb时，晶体管导通。若晶体管处于饱和状态，则输出电压为饱和电压VCES，集电极电流为饱和电流ICS。此时，晶体管相当于一个接通的开关。

由图7.2可以看出：当输入脉冲Vb加入时，基极输入电流立刻增加到IB1、但集电极电流要经过一段延迟时间才增加到ICS，当输入脉冲去除时，基极电流立刻变到反向基极电流IB2，而集电极电流也经过一段延迟时间才逐渐下降。

晶体管开关时间参数一般是按照集电极电流ic的变化来定义： 延迟时间td：从脉冲信号加入到ic上升到0.1ICS。 上升时间tr：ic从0.1ICS上升到0.9ICS。

存贮时间ts：从脉冲信号去除到ic下降到0.9ICS。 下降时间tf：ic从0.9ICS下降到0.1ICS。

其中td+tr即开启时间ton、ts+tf即关闭时间toff，本实验所测量的开关时间就是根据这种定义的开关时间，按这种定义方法测量开关时间比较方便。

当晶体管作为开关应用时，可以把晶体管看作是一个“电荷控制”器件，根据少数载流子连续性方程可以推导出电荷控制分析的基本方程

dQbQ?ib?b （7.1） dt?n式中Qb是贮存在基区中电子的总电荷， ?n是基区中电子寿命。

根据延迟时间的定义，在延迟时间内，发射结偏压将由-VBB上升到微导通电压VJO(约0.5V)，集电结反向偏压由(VCC+VBB)减少到(VCC-VJO)，这个过程是基极电流IB1对发射结和集电结势垒电容充电的过程。与此同时，基区将逐渐形成少子的浓度梯度。根据电荷控制分析的基本方程（7.1）可以写出与延迟时间对应的电荷微分方程，经过变换、数学处理，最终可得到延迟时间

tdVDECTE?0???VBB?????1??IB1?1?ne ???VDE???1?ne?VJO??1??VDE?????1?ne????????1-neVCC?VBB??VCC?VJOVDECTE?0????????1??1???IB1?1?nc???VDCVDC???????DCIB1??DC??T?1.7RLCTC?ln???I?0.1I??CS??DCB1?? （7.2） ??第 2 页 共 9 页

式中VDE、VDC分别为发射结和集电结的接触电势差，ne、nc对于突变结和线性缓变结分别为1/2和1/3。

在上升时间tr，基极驱动电流继续对发射结、集电结势垒电容充电，使发射结偏压由VJO

上升到导通电压VF（约0.7V），集电结反向偏压逐渐减少，使少子浓度梯度不断增加。此外，基极电流还要补充基区因复合而减少的电荷。与求延迟时间的方法类似，先写出与上升时间对应的电荷微分方程，进而可求得上升时间

?1???DCIB1?0.1ICS?? （7.3） tr??DC??1.7RLCTC?ln?????r?I?0.9I???DCB1CS?存贮时间主要是基区、集电区超量存贮电荷消失，发射结、集电结电容放电的过程。由对应得电荷微分方程推导的存贮时间为

??DCIB1??DCIB2??1???DCIB2?ICS?????? （7.4） ts??Sln????1.7RCDC?LTC?ln???I?I??DCB2CS??T???DCIB2?0.9ICS???式中?s为存贮时间常数，对于WC>LPC的外延平面管?s??PC，对于WC << LPC的外延平面

?s?Wc22Lpc管，这里τ

PC和LPC分别为集电区的少子寿命和扩散长度。

下降时间即上升时间的逆过程，用同样的方法可得

?1???DCIB2?0.9ICS???tf??DC??1.7RLCTC?ln???? （7.5） ??I?0.1ICS??T??DCB2由开关时间参数的表达式可以清楚地看到：开关时间既决定于CTE、CTC、fT、βDC等晶体管本身的参数，也取决于IB1、IB2及ICS等外部电路参数。势垒电容的充放电、电荷的存贮和消失是影响开关时间的内因，而外电路对晶体管的注入和抽取是影响开关时间的外因。因此，除晶体管的材料、结构和工艺参数外，测试或使用条件将对开关时间带来显著的影响。本实验除了测量晶体管在一定测试条件下的开关时间，还要改变测试条件，测出开关时间的变化，和理论分析结果进行比较。

我们所使用的测量双极型晶体管开关时间的实验装置是BJ2961A智能型晶体管开关参数测试仪，是测量1瓦以下NPN型或PNP型晶体开关三极管动态参数的专用仪器，它由取样电路、毫微秒脉冲信号发生器、缓冲电路、A/D转换及显示部分、测试盒及电源等电路组成。

本仪器可测量晶体三极管下列参数： td： 晶体三极管的延迟时间 tr： 晶体三极管的上升时间 ton：晶体三极管的开启时间

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ts： 晶体三极管的贮存时间 tf： 晶体三极管的下降时间 toff：晶体三极管的关闭时间 仪器工作原理：

本仪器由下列部分组成：

a、 取样示波器部分：它将被测器件的输入信号（以下简称A信号）和输出信号（以下简称B

信号）经“取样”复杂处理后，原A、B高频信号在时间上等效为低频信号经缓冲电路供给A/D转换，计算机通过键盘和接口电路进行数字化处理。电路主要包括：

1A、B通道探头：采保A、B信号的取样点电平。取样示波器的水平部分：它由信号○

源“前置脉冲”触发。产生扫描斜波和快斜波、步进延迟脉冲等电信号。由计算机接口电路来的控制信号可改变大斜波的幅度或快斜波的斜率从而改变示波器的“等效扫速”量程。

2取样脉冲发生器：产生高速开门脉冲，垂直通道的展宽门脉冲及A、B垂直通道的前○

级放大电路。垂直通道部分电路：经过采保来的微弱信号展宽放大。

b、 脉冲信号发生器：脉冲信号发生器由前级部分和后级部分组成。前级部分由振荡电路、前

置脉冲电路，延迟电路等组成。由计算机来的控制信号通过接口可以改变前级输出脉冲对前置脉冲的延迟。末级电路在专用的“正负极脉冲头”内，它由电缆线接在仪器B屉“脉冲输出”插座上，由脉冲前级触发，由计算机控制极性，脉冲末级输出前沿为2ns的正负脉冲。 c、 缓冲比较电路：A、B取样发大后的信号，在此缓冲为适应A/D数字处理的电平和幅值。 d、 A/D转换及显示部分：本模块的功能是将A、B信号在一定时序的控制进行采样，A/D转换，

并将转换的结果送入微机内存，以供软件处理。

原理说明：A、B信号经采样保持后，由模拟开关进行切换，依次送入A/D转换器进行A/D转换。时序控制器根据A/D转换的结束信号STS产生DMA申请信号DRQ，以申请DMA传送。DMA响应信号DACK到来后，时序控制器将A/D转换结果送上微机总线，DMA控制器读走数据以后，时序控制器即控制下一信号的A/D转换及DMA传送。这样高速运转，周而复始，便可将A、B信号数字化便于软件处理。

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图7.3 功能框图

e、 接口电路：提供了从3E0到3E7，8个I/O口，以控制其它单元的量程转换、参数转换，也

可读回键盘的键值。

f、 被测晶体管电源：被测晶体管电源VB、VC由本仪器B屉面板上琴键开关控制，配合相应的

测试盒，为被测晶体管提供IB、IC电流。注意琴键开关所处电流位置必须与所使用测试盒电流值一致。

g、 IB、IC电流表：电流表为31数字表头，分别指示IB、IC电流，电流单位为mA。当测试晶2体管ts、tf、toff三个参数时，调节电流表旁的“IB调节”、“IC调节”电位器可预置IB、IC电流值。

h、 测试盒：本仪器备有五个测试盒，根据所测管的测量条件进行选用，五个测试盒分别为：

IB1 = IB2 = 1mA IC = 10mA IB1 = IB2 = 3mA IC = 30mA IB1 = IB2 = 10mA IC = 100mA IB1 = IB2 = 30mA IC = 300mA IB1 = IB2 = 50mA IC = 500mA

三、实验设备介绍 仪器的整机框图

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图7.4 整机框图

仪器的连接：

将仪器的四部分（A屉、B屉、测试盒、正负极性脉冲头）按下图连接在一起。

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图7.5 仪器连接图

注意：B屉琴键开关所选择的测试条件应与所选用的测试盒相统一。

使 用 说 明 书

一、 概述

BJ2961A型晶体管开关参数测试仪是专门用于测试1瓦以下的NPN型和PNP型晶体开关三极管动态参数的专门仪器，它采用通用微机控制，用CRT代替以往的示波管，图形显示清晰

稳定，测试结果也可以接打印机输出。 二、 面板说明

1. A屉按键

↑↓←→ 上下左右键，可移动所选参数或功能。 确认 确认键，对所选参数或功能的确认。

2. B屉按键

琴键 分别有五个测试条件提供选择。 三、 屏幕说明

1. 主菜单

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开机后屏幕上显示的菜单即为主菜单，有六个选项：“管序号”、“参数”、“扫速”、“图形分析”、“打印”、“帮助”，按面板上的“↑”“↓”键确认。

2. 子菜单 A、 管序号

按“↑”“↓”键移动选项按钮到“管序号”，按“←”“→”键可以改变被测管的序号，管子的测试结果按序号自动存储，相同序号的管子只存储最新的测试结果。

按“确定”键进入“管极性”子菜单，屏幕右上方弹出“管极性”的选项“NPN”“PNP”，根据被测的型号按“↑”“↓”键选择，按“确认”键确认并退回到主菜单。

B、 参数

仪器可测得参数有六个：td、tr、ton、ts、tf、toff，按“↑”“↓”键移动选项按钮到“参数”，按“确定”键进入“参数”子菜单，按“↑”“↓”键选择测试td、tr、ton或ts、tf、toff，相应的选项弹起，按“确定”键确认测试参数并退回到主菜单。

C、 扫速

扫速共分20nS/cm，50nS/cm，100nS/cm，200nS/cm四档，按“↑”“↓”键移动选项按钮到“扫速”，屏幕右上方弹出“扫速”的四个选项，按“↑”“↓”键选择不同扫速，按“确定”键确认并退回到主菜单。

D、 图形分析

该选项可定量分析测试曲线，按“↑”“↓”键移动选项按钮到“图形分析”，按“确定”键后屏幕的图形显示区域显示测试曲线，用亮线标出A、B曲线的10%点，90%点以及td、tr、ton或ts、tf、toff计算方法。

E、 打印

该选项可将测试结果输出到打印机，按“↑”“↓”键移动选项按钮到“打印”，按“确定”键进入“打印”一级子菜单，屏幕右上方弹出“打印”的四个选项：“START”、“END”、“打印”、“返回”。

START：按“←”“→”键可以改变打印的起始管序号。

END：按“←”“→”键可以改变打印的终止管序号，注意终止管序号应比起始管序号大。 打印：连接好打印机后，按“确定”键即可将从START到END的管子测试结果打印出来。 返回：按“确定”键返回主菜单。 F、 帮助

按“↑”“↓”键移动选项按钮到“帮助”，按“确定”键后屏幕上显示出仪器的操作说明书，按“↑”“↓”键翻页，按“确认”键返回主菜单。

3. 图形显示区域

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屏幕中间的网络部分是图形显示区域，上部为B曲线显示区域，下部为A曲线显示区域，X轴是时间轴，每格代表的时间由扫速决定，区域右顶部显示当前的扫速，例：当前的扫速是50nS/cm，表示每格代表的时间是50nS，区域左顶部显示当前管子的型号（NPN或PNP）。

四、实验内容和步骤

1. 将仪器的四个部分（A屉、B屉、测试盒、正负极性脉冲头）按图7.5所示接好。 2. 根据选用的测试盒按下B屉相应的琴键开关，注意：琴键开关必须与测试盒一致，否

则仪器将会损坏，例：选用的测试盒的标称是IB = 1mA，IC = 10mA，就应将琴键的“1/10”键按下。

3. 打开A屉、B屉电源，显示器显示测试屏幕，预热10分钟后继续下一步操作。 4. 开机后仪器默认的“管序号”为1，“测试参数”为toff,“测试扫速”为100nS/cm。 5. 插上被测管，如果下屉显示的IB、IC与测试盒的标称有误差，可调整相应的调节旋钮

使之一致。

6. 此时图形显示区域有AB曲线显示，“参数”区域显示测试的参数值。 7. 若需调整测量扫速或测量参数，请按“↑↓←→”及“确认”键进行调整。

8. 如果测试结果需要打印，按“打印”按钮，选择适当的“START”和“END”，连接好打印

机，就可以打印了。

五、注意事项和要求

1．正确连接开关的四个部分，注意A屉、B屉开启和关闭的顺序。

2．琴键开关必须与测试盒一致，否则仪器将会损坏，例：选用的测试盒的标称是IB = 1mA，IC = 10mA，就应将琴键的“1/10”键按下。

3．当波形不在图形显示区域，注意调节扫描到适当档级。

六、作业及预习要求

1. 分别测量NPN型和PNP型三极管的开关时间，在显示器上观察晶体管输入和输出波 形，并从测试系统中读出开、关时间参数。

2. 测量高频管（如3DK2A/3DG180M/3DG54F）和低频管或具有不同电流增益的晶体管的开、关时间，研究晶体管本身参数对开关时间的影响。 3. 预习晶体管开关特性相关知识。

七、参考书目

? 陈星弼、张庆中。晶体管原理与设计 电子工业出版社

? 刘刚、何笑明、陈涛。微电子器件与IC设计 科学出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lkb8.html