完整版晶体管开关时间的测量

晶体管开关时间的测量晶体管开关时间是标志晶体管开关特性的一个极其重要的参数。当晶体管作为开关应用时，其开关时间将直接影响电路的工作频率和整机性能。本实验通过测量双极性晶体管的开关时间，熟悉开关时间的测试原理，掌握开关时间的测试方法、研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。一、实验原理图1是典型的NPN晶体管开关电路，图中包和Rb分别为负载电阻和基极偏置电阻、-VBB和+匕。分别为基极和集电极的偏置电压。图1图1晶体管开关电路示意图图2开关晶体管输入.输出波形当基极无信号输入时，由于负偏压VBB的作用，使晶体管处于截止状态，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开关。

当给晶体管输入正脉冲、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匕疫，集电极电流为饱和电流IS。此时，晶体管相当一个接通的开关。由图2可以看出：当输入脉冲、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I。，当输入脉冲去除时，基极电流立下降时间/：，从0.91下降时间/：，从0.91下降到0.11CSCS图3开关晶体管输入、输出电压波形fC刻变到反向基极电流Ibj而集电极电流也经过一段延迟时间才逐渐下降。其中t+1即开启时间t、t+1即关闭时间ons），本实验所要测量的开关时间就是根据这个定义的开关时间，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（1）（1）推导出dQ .Q——b=I--bd btt n试中Qb是存储在基区中电子的总电荷，i是基区中电荷寿命。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L（约0.5V），集电结反向偏压由（VCC+Vbb）减小到（VCC-匕0），这个过

程是基极电流IB11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（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口C,口C,“(0)r(1+DETEI、I(1—n)

B1 cV、BB)V

DEV 1-n(1-VJ^-)VDEVCDETOI(1-VCDETOI(1-B1「V+V

(0)(1+CC BBn[ Vc DC1)V-V

(1+cc o)VDC+p (①DCr+1.7RC)ln(-——PdcIB1-lTC pd+p (①DCr+1.7RC)ln(-——PdcIB1-lTC pdJb1-0.11—)CS试中VDE、VDC分别为发射结和集电结的接触电势差，nc、ne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和集电结势垒电容充电，使发射结偏压由VJO上升到导通电压,（约0.7V），集电结反向偏差逐渐减小，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方程，进而可求得上升时间t=P (—!—+1.7RC)ln(Bdc/b1——rDC3 LTCPI-0.91CS-)(3)CS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。由对应的电荷微分方程推导的存贮时间为t二一n(PDC1B1+pdCb2)+P (—!—+1.7RC)ln(—Bdc,b2+Ics-) (4)ssPI+I DC3 LTC PI+0.91DCB2 CS T DCB2 CS试中、为存贮时间常数，对于以＞L*的外延平面管T pc，对于以〈〈LPC的外延平面管T产Wc2/2L”,这里TPC和Lpc分别为集电区的少子寿命和扩展长度。t=P (——+1.7RC)ln(—dcb2 cs-)fDC3 LTCPI+0.11r DCB2 CS以上开关时间参数公式的详细推导见参考资料[1]。（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CTE、CTC、fT、PDC等晶体管本身的参数，也取决于IB1、IB2及1cs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、结构和工艺参数以外，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。测量双极型晶体管开关时间的实验装置如图4所示。由于受输入脉冲前后沿的影响以及示波器频宽的限制，此装置只适用于测量开关时间较长的晶体管。一般开关晶体管的开关时间都在毫微秒数量级。为了满足这一高速测试的要求，晶体管、集成电路动态参数测试仪BJ2961采用了先进的数字化取样技术。全机由“测试盒电路”、“毫微秒脉冲单元”、“取样单元”、“摸数转换”及供电系统组成。可根据不同开关时间的部颁标准选用“测试盒电路”。图5即测试仪方框图。图中毫微秒脉冲源的作用是提供被测晶体管的基极电流IB1和I一般开关晶体管的开关时间都在毫微秒数量级。为了满足这一高速测试的要求，晶体管、集成电路动态参数测试仪BJ2961采用了先进的数字化取样技术。全机由“测试盒电路”、“毫微秒脉冲单元”、“取样单元”、“摸数转换”及供电系统组成。可根据不同开关时间的部颁标准选用“测试盒电路”。图5即测试仪方框图。图中毫微秒脉冲源的作用是提供被测晶体管的基极电流IB1和IB2,它采用脉冲头的输出方式直接与测试盒连接，这样不仅减少了脉冲波形的畸变而且提高了测试精度。I趋不强I稳压源双踪示波器脉冲发生器E*主机脉冲输出供电系统脉冲头AE测试盒脉冲源还将输出一个触发脉 图叫5EJ2961测试仪方框图冲。在脉冲的触发下，“取样单元”与通过取样示波器一样，将通过A、B两个取样探头分别在测试盒中拾取脉冲源及被测器件的输出脉冲信号，并显示在示波器的屏幕上。同时，“取样单元”还将输出阶梯波信号、步进脉冲、门信号及A、B取样后通过输出信号等送至“摸数转换”单元进行数字处理，最后将各开关时间参数分别用数字显示出来。二、实验内容1、用图4所示的实验装置在示波器上观察晶体管输入与输出波形，读出各开关时间参数。2、测量高频管（如3DG12）和低频管或具有不同电流增益的晶体管的开关时间，研究晶体管本身的参数对开关时间的影响。3、改变外电路参数IB「\/口IC/测量晶体管的开关时间，研究测试条件变化对晶体管开关时间的影响。4、用BJ2961型晶体管、集成电路动态参数测试仪测量开关管的开关时间。如果被测管为3DK4,其测试条件：I=10MA、I=100MA，测试结果和高频管进行比较。三、实验步骤1、用图4所示的实验装置测量晶体管开关时间。（1）将测试仪器按图4所示的实验装置连接，校准个仪器。（2）给被测管加上脉冲信号，观察输入、输出波形，读出晶体管四个开关时间参数及开启和关断时间。（3）改变被测管和测试条件重复上面的测量。2、用BJ2961型晶体管、集成电路动态参数测试仪进行测量。（1）将测试仪按图5连接，其中测试盒是根据测试条件选取的。（2）根据所测晶体管的极性、测试条件和开关时间的大致范围，把“极性”、“电流量程”、“扫速量程”放在适当的位置。（3）将“触发-自激”旋钮逆时针转到底，对于NPN晶体管，“触发极性”应放置在“+”，参数选取琴键放置在trI或t哂中任一挡。（4）开机预热后调节示波器，使示波器上出现两条扫描线。（5）将被测晶体管插入测试盒。（6）将“电流指示”放置IB,调节IB。再将“电流指示”放置I’,调节使满足测试条件。（7）调节“脉冲延时”和“延时”电位器，此时仪器应出现被测管注入脉冲（信号源输出脉冲）和被测管输出脉冲波形。如示波器扫描量程不适合，可调整“扫描量程”使此波形在示波器两条扫线四个调辉点之间，如图6（a）、（b）所示。图中（a）表示NPN管测量tr1、tf波形及PNP晶体管测tjt「10n波形。图6（b）表示NPN管测量tjtrton波形及PNP管测量、着波形。（8）按动琴键开关，可分别测量各开关时间参数。图29.6EJ2961测量开关时间波形图（9）将“测量区域”放置“开”的位置时，示波器上既对测量区域加亮。（10）数字部分采样时，“采样”指示灯亮，旋动“显示时间”旋钮即改变数字部分采样时间。四、数据处理和分析本实验测量双极型晶体管的开关时间并测试条件变化对开关时间的影响。需要记录以下实验结果：1、在双踪示波器上观察到的输入脉冲电压和输出电压波形。2、在一定测试条件下，高频管和开关管的延迟时间^、上升时间J、开启时间勺及存贮时间（、下降时间、关闭时间加。3、改变测试条件后，对各开关时间参数的测试结果进行分析。五、思考题1、测试条件变化对晶体管开关时间参数带来什么影响？为什么？如何改变测试条件？2、根据测试结果，比较晶体管各开关时间参