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

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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R L和R B分别为负载电阻和基极偏置电阻-V BB

和+V CC 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V b ，基极和集电极电流i b 和i c 的波形如图7.2所示。 当基极无信号输入时，由于负偏压V BB 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I CEO 通过，输出电压接近于电源电压+V CC 。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V b 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V CES ，集电极电流为饱和电流I CS 。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V b 加入时，基极输入电流立刻增加到I B1、但集电极电流要经过一段延迟时间才增加到I CS ，当输入脉冲去除时，基极电流立刻变到反向基极电流I B2，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i c 的变化来定义：

延迟时间t d ：从脉冲信号加入到i c 上升到0.1I CS 。

上升时间t r ：i c 从0.1I CS 上升到0.9I CS 。

存贮时间t s ：从脉冲信号去除到i c 下降到0.9I CS 。

下降时间t f ：i c 从0.9I CS 下降到0.1I CS 。

其中t d +t r 即开启时间t on 、t s +t f 即关闭时间t off ，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

n

b b b τQ i dt dQ -= （7.1） 式中Q b 是贮存在基区中电子的总电荷， n τ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-V BB 上升到微导通电压V JO (约0.5V)，集电结反向偏压由(V CC +V BB )减少到(V CC -V JO )，这个过程是基极电流I B1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

()()()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛++-+⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=--CS B1DC B1DC TC L T DC n -1DC JO CC DC BB CC c B1TE DE 1DE JO 1DE BB e B1TE DE d 1.0ln 7.111101110e e I I I C R V V V V V V n I C V V V V V n I C V t n n e ββωβ （7.2）

式中V DE 、V DC 分别为发射结和集电结的接触电势差，n e 、n c 对于突变结和线性缓变结分别为1/2和1/3。

在上升时间t r ，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V JO 上升到导通电压V F （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

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=CS B1DC CS B1DC TC L DC r 9.01.0ln 1.7R r 1I I I I C t ββωβ （7.3） 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

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++=CS B2DC CS B2DC TC L T DC CS B2DC B2DC B1DC S s 9.0ln 7.11ln I I I I C R I I I I t ββωββββτ （7.4） 式中s τ为存贮时间常数，对于W C >L PC 的外延平面管PC s ττ=，对于W C << L PC 的外延平面pc c s L W 22=τ管，这里τPC 和L PC 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

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=CS B2

DC CS B2DC TC L T DC f 1.09.0ln 7.11I I I I C R t ββωβ （7.5） 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C TE 、C TC 、f T 、βDC 等晶体管本身的参数，也取决于I B1、I B2及I CS 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：

t d ： 晶体三极管的延迟时间

t r ： 晶体三极管的上升时间

t on ：晶体三极管的开启时间