晶體管開關時間的測量晶體管開關時間是標志晶體管開關特性的一個極其重要的參數。當晶體管作為開關應用時，其開關時間將直接影響電路的工作頻率和整機性能。本實驗通過測量雙極性晶體管的開關時間，熟悉開關時間的測試原理，掌握開關時間的測試方法、研究測試條件變化對晶體管開關時間的影響。一、實驗原理圖1是典型的NPN晶體管開關電路，圖中、和Rb分別為負載電阻和基極偏置電阻、-VBB和+匕。分別為基極和集電極的偏置電壓。圖1圖1晶體管開關電路示意圖圖2開關晶體管輸入.輸出波形當基極無信號輸入時，由于負偏壓VBB的作用，使晶體管處于截止狀態，集電極只有很小的反向漏電流即iceo通過，輸出電壓接近于電源電壓+VCC。此時晶體管相當于一個斷開開關。

當給晶體管輸入正脈沖匕時，晶體管導通。若晶體管處于飽和狀態，則輸出電壓為飽和電壓匕疫，集電極電流為飽和電流IS。此時，晶體管相當一個接通的開關。由圖2可以看出：當輸入脈沖匕加入時，基極輸入電流立刻增加到IB11、但集電極電流要經過一段延遲時間才增加到I。，當輸入脈沖去除時，基極電流立刻變到反向基極電流IBj而集電極電流也經過一段延遲時間才逐漸下降。在實際測量中，如果使用雙蹤示波器，觀察的是輸入電壓和輸出電壓的波形，如圖3所示。晶體管開關時間參數一般是按照集電極電流）的變化來定義：延遲時間從脈沖信號加入到（上升到°」ICS。上升時間：:ic從°.1IS上升到°.9IS存儲時間（：從脈沖信號去除到ic下降到°.91CS圖3開關晶體管輸入、輸出電壓波形下降時間看：i從°.91下降到°.11fC CS CS其中t圖3開關晶體管輸入、輸出電壓波形下降時間看：i從°.91下降到°.11fC CS CStof，本實驗所要測量的開關時間就是根據這個定義的開關時間，按這種定義方法測量開關時間比較方便。當晶體管作為開關應用時，可以把晶體管看作是一個“電荷控制”器件，根據少數載流子連續性方程可以 推導出電荷控制分析的基本方程TOC\o"1-5"\h\zdQ.Q m——b=i——b （1）dbtt n試中Qb是存儲在基區中電子的總電荷，tn是基區中電荷壽命。根據延遲時間的定義，在延遲時間內，發射結偏壓將由-匕B上升到微導通電壓匕。（約°.5V），集電結反向偏壓由（VCC+L）減小到（VCC-Vj°），這個過

程是基極電流IB11對發射結和集電結勢壘電容充電的過程。與此同時，基區將逐漸形成少子的濃度梯度。根據電荷控制分析的基本方程（1）可以寫出與延遲時間對應的電荷微分方程，經過變換、數學處理，最終可得到延遲時間口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試中VDE、VDC分別為發射結和集電結的接觸電勢差，nc、ne對于突變結和線性緩變結分別為1/2和1/3。在上升時間tr,基極驅動電流繼續對發射結和集電結勢壘電容充電，使發射結偏壓由VJO上升到導通電壓匕（約0.7V），集電結反向偏差逐漸減小，使少子濃度梯度不斷增加。此外，基極電流還要補充基區因復合而減少的電荷。與求延遲時間的方法類似，先寫出與上升時間對應的電荷方程，進而可求得上升時間t=P (—!—+1.7RC)ln(Bdc/b1——rDC3 LTCPI-0.91CS-)（3）CS存貯時間主要是基區、集電區超量存貯電荷消失，發射結、集電結電容放電的過程。由對應的電荷微分方程推導的存貯時間為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試中、為存貯時間常數，對于W>L”的外延平面管工?-tpc，對于WaLpc的外延平面管T產Wc2/2L”,這里T“和Lpc分別為集電區的少子壽命和擴展長度。t=P (——+1.7RC)ln(—dcb2 cs-)fDC3 LTCPI+0.11r DCB2 CS以上開關時間參數公式的詳細推導見參考資料[1]。（5）由開關時間參數的表達式可以清楚地看到：開關時間既決定于CTE、CTC、fT、PDC等晶體管本身的參數，也取決于IB1、IB2及1cs等外部電路參數。勢壘電容的充放電、電荷的存貯和消失是影響開關時間的內因，而外電路對晶體管的注入和抽取是影響開關時間的外因。因此，除晶體管的材料、結構和工藝參數以外，測試或使用條件將對開關時間帶來顯著的影響。本實驗除了測量晶體管在一定測試條件下的開關時間，還要改變測試條件，測出開關時間的變化，和理論分析結果進行比較。測量雙極型晶體管開關時間的實驗裝置如圖4所示。由于受輸入脈沖前后沿的影響以及示波器頻寬的限制，一般開關晶體管的開關時間都在毫微秒數量級。為了滿足這一高速測試的要求，晶體管、集成電路動態參數測試儀BJ2961采用了先進的數字化取樣技術。全機由“測試盒電路”、“毫微秒脈沖單元”、“取樣單元”、“摸數轉換”及供電系統組成。可根據不同開關時間的部頒標準選用“測試盒電路”。圖5即測試儀方框圖。圖中毫微秒脈沖源的作用是提供被測晶體管的基極電流J和12，它采用脈沖頭的輸出方式直接與測試盒連接，這樣不僅減少了脈沖波形的畸變而且提高了測試精度。脈沖源還將輸出一個觸發脈沖。在脈沖的觸發下，“取樣單元”與通過取樣示波器一樣，將通過的影響以及示波器頻寬的限制，一般開關晶體管的開關時間都在毫微秒數量級。為了滿足這一高速測試的要求，晶體管、集成電路動態參數測試儀BJ2961采用了先進的數字化取樣技術。全機由“測試盒電路”、“毫微秒脈沖單元”、“取樣單元”、“摸數轉換”及供電系統組成。可根據不同開關時間的部頒標準選用“測試盒電路”。圖5即測試儀方框圖。圖中毫微秒脈沖源的作用是提供被測晶體管的基極電流J和12，它采用脈沖頭的輸出方式直接與測試盒連接，這樣不僅減少了脈沖波形的畸變而且提高了測試精度。脈沖源還將輸出一個觸發脈沖。在脈沖的觸發下，“取樣單元”與通過取樣示波器一樣，將通過A、B兩個取樣探此裝置只適用于測量開關時間較長的晶體管。㈤cca工辛口+I’iTNJilll二十習士里土丘由穩壓器脈沖發生器雙蹤示波器主機肱沖輸出脈沖頭AE

測試盒頭分別在測試盒中拾取脈沖源及被測器件的輸出脈沖信號，并顯示在示波器的屏幕上。同時，“取樣單元”還將輸出階梯波信號、步進脈沖、門信號及A、B取樣后通過輸出信號等送至“摸數轉換”單元進行數字處理，最后將各開關時間參數分別用數字顯示出來。二、實驗內容1、用圖4所示的實驗裝置在示波器上觀察晶體管輸入與輸出波形，讀出各開關時間參數。2、測量高頻管（如3DG12）和低頻管或具有不同電流增益的晶體管的開關時間，研究晶體管本身的參數對開關時間的影響。3、改變外電路參數IB」4/口IC/測量晶體管的開關時間，研究測試條件變化對晶體管開關時間的影響。4、用BJ2961型晶體管、集成電路動態參數測試儀測量開關管的開關時間。如果被測管為3DK4,其測試條件：IB=10MA、I=100MA，測試結果和高頻管

進行比較。進行比較。三、實驗步驟1、用圖4所示的實驗裝置測量晶體管開關時間。（1）將測試儀器按圖4所示的實驗裝置連接，校準個儀器。（2）給被測管加上脈沖信號，觀察輸入、輸出波形，讀出晶體管四個開關時間參數及開啟和關斷時間。（3）改變被測管和測試條件重復上面的測量。2、用BJ2961型晶體管、集成電路動態參數測試儀進行測量。（1）將測試儀按圖5連接，其中測試盒是根據測試條件選取的。（2）根據所測晶體管的極性、測試條件和開關時間的大致范圍，把“極性”、“電流量程”、“掃速量程”放在適當的位置。（3）將“觸發-自激”旋鈕逆時針轉到底，對于NPN晶體管，“觸發極性”應放置在“+”，參數選取琴鍵放置在\、1或tf中任一擋。（4）開機預熱后調節示波器，使示波器上出現兩條掃描線。（5）將被測晶體管插入測試盒。（6）將“電流指示”放置IB,調節IB。再將“電流指示”放置I’,調節使滿足測試條件。（7）調節“脈沖延時”和“延時”電位器，此時儀器應出現被測管注入脈沖（信號源輸出脈沖）和被測管輸出脈沖波形。如示波器掃描量程不適合，可調整“掃描量程”使此波形在示波器兩條掃線四個調輝點之間，如圖6（a）、（b）所示。圖中（a）表示NPN管測量trt,、tf波形及PNP晶體管測tjttt波形。圖6（b）表示NPN管測量t「ttt波形及PNP管測量trtt哂波形。（8）按動琴鍵開關，可