半导体器件综合参数测试

研究生《电子技术综合实验》课程报告

题目：半导体器件综合参数测试

学号

姓名

专业

指导教师

院（系、所）

年月日

一、实验目的：

（1）了解、熟悉半导体器件测试仪器，半导体器件的特性，并测得器件的特性参数。掌握半导体管特性图示仪的使用方法，掌握测量晶体管输入输出特性的测量方法。

（2）测量不同材料的霍尔元件在常温下的不同条件下（磁场、霍尔电流）下的霍尔电压，并根据实验结果全面分析、讨论。

二、实验内容：

（1）测试3AX31B、3DG6D的放大、饱和、击穿等特性曲线，根据图示曲线计算晶体管的放大倍数；

（2）测量霍尔元件不等位电势，测霍尔电压，在电磁铁励磁电流下测霍尔电压。

三、实验仪器：

XJ4810图示仪、示波器、三极管、霍尔效应实验装置

四、实验原理：

1.三极管的主要参数：

（1）直流放大系数h FE：h FE=（I C-I CEO）/I B≈I C/I B。其中I C为集电极电流，I B为基极电流。

基极开路时I C值，此值反映了三极管热稳定性。

（2）穿透电流I CEO

：

（3）交流放大系数β：β=ΔI C/ΔI B

（4）反向击穿电压BV CEO：基极开路时，C、E之间击穿电压。

2.图示仪的工作原理：

晶体管特性图示仪主要由阶梯波信号源、集电极扫描电压发生器、工作于X-Y方式的示波器、测试转换开关及一些附属电路组成。晶体管特性图示仪根据器件特性测量的工作原理，将上述单元组合，实现各种测试电路。阶梯波信号源产生阶梯电压或阶梯电流，为被测晶体管提

供偏置；集电极扫描电压发生器用以供给所需的集电极扫描电压，可根据不同的测试要求，改变扫描电压的极性和大小；示波器工作在X-Y状态，用于显示晶体管特性曲线；测试开关可根据不同晶体管不同特性曲线的测试要求改变测试电路。（原理如图1）

上图中，R B、E B构成基极偏置电路。当E B》V BE时，I B=（E B-V BE）/R B基本恒定。晶体管C-E之间加入锯齿波扫描电压，并引入小取样电阻RC，加到示波器上X轴Y轴电压分别为：V X=V CE=V CA+V AC=V CA-I C R C≈V CA

V Y=-I C·R C∝-I C

I B恒定时，示波器屏幕上可以看到一根。I C-V CE的特征曲线，即晶体管共发射极输出特性曲线。为了显示一组在不同I B的特征曲线簇I CI=φ应该在X轴锯齿波扫描电压每变化一个周期时，使I B也有一个相应的变化。应将E B改为能随X轴的锯齿波扫描电压变化的阶梯电压。每一个阶梯电压能为被测管的基极提供一定的基极电流，这样不同变化的电压V B1、V B2、V B3…就可以对应不同的基极注入电流I B1、I B2、I B3….只要能使没一个阶梯电压所维持的时间等于集电极回路的锯齿波扫描电压周期。如此，绘出I CO=φ（I BO，V CE）曲线与I C1=φ（I B1，V CE）曲线。

3.直流电流放大系数h FE与工作点I,V的关系

h FE是晶体三极管共发射极连接时的放大系数，h FE=I C/I B。以n-p-n晶体管为例，发射区的载流子（电子）流入基区。这些载流子形成电流I E，当流经基区时被基区空穴复合掉一部分，这复合电流形成IB，复合后剩下的电子流入集电区形成电流为IC，则I E=IB+IC。因IC>>IB 所以一般h FE=IC/IB都很大。

当V CC不变，h FE随I C变化的规律：I C较小时，I C增大，h FE也随之增大，当I C增大到一定程度时，则h FE随I C的增大而下降。原因很多，主要是当I C较小时，对于所有发射区复合都是主要的，结果h FE随I C增加而增加。当增大到一定程度时，即注入到基区的少数载流子和基区的多数载流子可以相比时，便产生基区电导调制和大注入自建电场，同时产生有效基区扩展和发射极电流集边效应等，在这种情况下，就不能只考虑SHR复合，同时也要考虑俄歇复合和禁带复合。因此，I C增大到一定程度时，h FE随I C增加开始下降，如（图1）。

当I C一定，h FE如何随V CC增加而增加呢？因共发射极连接，发射结处于正偏，但宽度变化不大，可视为近似不变，而集电结处于反偏，当反偏增加时，集电结空间电荷区随之加宽，它除扩展到中性集电区，还扩展到中性基区，使中性基区宽度变窄，造成基区内少子浓度梯度增大，因而当V CC增加时，使Ic、Ib都增加，从而使h FE也增加

（如图2）。假若不考虑基区宽变效应，h FE’=I C’/I B；考虑了基

区宽变效应，则h FE=I C/ I B。

本仪器主要由稳压源供给被测管偏置电压V CE，恒流源供给

被测管基极电流I B。根据h FE定义，在I C满量程时，可直接由I C/

I B表读出h FE值；当I C不为满量程时，根据h FE=I C/ I B计算。

4.晶体管f参数与工作点测试原理

在共发射极电路中，当测量(或工作)频率升高时，晶体三极管的交流短路电流放大倍数就要下降。当|β|下降到1时所对应的频率，称为该晶体管的特征频率，记作f T。

由以上定义，在工程上实现f T的测量比较复杂，因此，我们作以下推导：

高频三极管β与频率的关系可表示为：

β=β0／（1+jωC be·r’be）

其中

C be·r’be=1／2πfβ=1／ωβ

于是

β=β0／（1+jf ／f β）

取其模数

|β|=β0／[1+（f ／f β）2]1／2

（1）

式（1）中：β0为低频时电流放大倍数；f β为短路电流放大倍数降到0.707β0时所对应的频率，称为共发射极电路的截止频率；f 为测量（或工作）频率。由（1）式可以画出图1所示的|β|～f 曲线。

观察图1，当测量频率较低时，|β|≈β，随着频率的升高|β|下降，我们研究一下下降的规律。式（1）中，当测量频率f 比f β大很多，且能满足(f ／f β)2>>1时，（1）式简化为：

|β|=β0·f β／f

（2）

考虑到f T 的定义，当|β|=1时，f=f T ，于是：

f T =β0·f β

（3）

将（3）式代入（2）式得到：

f T =f 0·|β|

（4）

根据（4）式，我们可以将f T 表述为：在共发射极电路中，当测量频率f 大于f β且满足(f ／f β)2>>1时，特征频率f T 就等于测量频率f 与该频率下电流增益模数的乘积，称为“带宽—增益乘积”。

不难看出，当满足(f ／f β)2>>1而得到的（4）式，表示了一条直线，频率每升高一倍|β|就下降一倍，|β|是以-6dB/倍频程（或20dB/+倍频程）的规律下降的。只要在-6dB/倍频程区内，不管采用什么点频进行测量，从理论上讲都是可以求得f T （忽略公式近似而引入的误差），例如：

f 1·|β1|= f 2·|β2|= f 3·|β3|=…………………………… f T ·1=f T

严格说来，根据“带宽—增益乘积”的原理来测f T ，必须使(f ／f β)2>>1的条件满足的很好，不然由于“带宽—增益乘积”定义本身带来的误差就很可观。例如：f=3 f β，误差为+5%；f=5 f β，误差为2%；只有(f ／f β)2>>1其误差才可以被忽略。