《半导体器件特性的测量与分析》报告

半导体器件特性的测量与分析

引言

近几十年来，半导体材料和器件的发展很快。半导体器件的种类很多，典型的放大器件有双极型晶体管和场效应晶体管，部分光电子器件的工作原理在先行课程中已有介绍。近年来，半导体光电子器件的发展和应用更为迅速，它们的基本原理在本实验的附录中作了介绍。了解这些器件的工作原理及掌握其主要参数的测量有重要的实用价值。本实验的目的是了解并学会使用这些仪器，通过几种典型半导体管的测量，对半导体双极、场效应晶体管，发光、光敏二极管等单元器件工作原理及特性参数有进一步了解。

实验仪器

1．半导体管特性图示仪是一种用示波管显示半导体器件的各种特性曲线，并可测量其重要参数的测试仪器。

电路结构：该仪器主要由阶梯信号发生器、集电极扫描电压、Ｘ轴和Ｙ轴放大器、二簇电子开关、低压电源、高频高压电源及示波器控制电路等部分组成。电路原理框图见图6.2-1。

该仪器最主要的电路是提供一个50Ｈｚ市电经全波整流后成为100Ｈｚ正弦波的集电极扫描电压和一个提供给基极的阶梯波电压（或电流），见图6.2-２。

2．“微机半导体器件特性测试仪”性能简介和使用说明

实验采用的微机半导体器件特性测试仪，可以用来显示半导体器件的输入特性、输出特性、转移特性曲线；可以测量器件的电流放大系数、跨导、开启电压、夹断电压等一系列参数；具有教学演示模式和普通测量模式。

完整的测量系统，由测量主机和计算机系统组成。测量主机通过EPP接口与微型计算机系统连接。

实验内容

用XJ4810型半导体管特性图示仪测量双极型三极管、结型场效应管和各种类型二极管。（1）了解图示仪的电路结构框图并掌握面板各旋钮用途。

（2）测量双极型晶体管3DG6C（NPN型硅管）的特性和参数：

一般三极管管脚的辨认，把管脚朝向观察者，管脚的位置如图6.2-4所示。二极管的管脚通常为一长一短，长者为正。

晶体管的管脚与图示仪的C，B，E三个接入端头（或插口）的连接法见图6.2-5。

①测量共射极电路的输出特性

图6.2-6是3DG6管的输出和输入特性曲线，供参考。

观察并记录曲线簇图形，如下图所示：

根据曲线可求出工作点Ｑ处的交流放大系数β为：

格格

②测量极间反向电流ＩCEO，和反向击穿电压BU CEO。反向击穿时的输入特性曲线如下图所示：

根据曲线可求出反向击穿电压为：

格格

（3）测量结型场效应管3DJ7（N沟耗尽型）的特性及参数：

①测量3DJ7结型场效应管的输出特性

ＩD＝ｆ（ＵDS）｜U GS

观察并记录曲线簇图形，如下图所示：

根据曲线可求出工作点Ｑ处的跨导为：

格格

②测量转移特性曲线

ＩD＝ｆ（ＵGS）｜U DS

观察并记录曲线，注意曲线为包络线。注意所加电压ＵDS、ＵGS的正、负极性。图6.2-7是3DJ7管的转移特性、输出特性曲线，供参考。

ＵGS加正极性电压时，得到特性转移曲线如下图所示：

ＵGS加负极性电压时，得到特性转移曲线如下图所示：

把ＵGS为＋、－极性的两图合并成一完整图形，如下图所示：

根据曲线测量夹断电压ＵP为：

格格

饱和漏电流ＩDSS为：

格格

（4）测量二极管

图6.2-8是红色发光二极管和光电二极管（太阳电池）的特性曲线。

①测量发光二极管。发光二极管工作在正向。观察正向导通电压数值及发光强度与电流大小的关系，如下图所示：

②测量光电二极管。该管工作在反向或零偏电压，其特性曲线如下图所示：

观察光照强度加大，光生电流变化的情况如下图所示：

注意事项

1．在实验中，很多管子断脚损坏是由于分开管脚方法不当引起，要注意分开或弯曲管脚时，不能用力扒开管脚，致使着力点落在管脚根部，造成管脚从根部折断，无法焊接修补。要用手指顶在距管脚根部某一距离（如＞0．5cm）处再往外分开或弯曲，以使着力点离开根部。2．注意正确选择各旋钮，以防烧坏被测晶体管。

①测量NPN、PNP双极晶体管和Ｎ沟、Ｐ沟结型场效应管时，集电极电压和基极电压的极性应正确选择，防止工作不正常或者烧坏管子。

②对中、小功率管，集电极扫描电压范围一般置“10V”档。

③“基极电流”选择档次不要过大，对于小功率管（Ｐcm≤300mW，通常为100mW），则Ｉb 选“1~20μA”档为宜。Ｉb过大易使管子超过Ｐcm而烧坏。

④测“反向击穿电流”等极限参数时，要置集电极电阻Rｃ≥25KΩ，以防烧坏管子。

3．待测管已接入图示仪，若需转换测量另一个参数时，可以不取下管子，但要先把“集电极扫描电压”旋钮旋至最小，再把其他各旋钮置于正确位置后进行测量。

4．当对被测管子型号、极性等不清楚时，开始时慢慢加大“集电极扫描电压”，看看出现什么图形，若曲线与设想相合，可大胆加大电压；若不合，要找出原因，重新选择旋钮，以防烧坏管子。

5．为保护示波管屏幕寿命，不宜长时间让一个亮点停留在某一处，若需要较长时间停留，可拉一条扫描线，并把亮度减弱。

思考题

1．试分别说明PNP晶体管（共发射极接法）和P沟结型场效应管在工作时各电极应加什么极性电压？并简要说明原因。

答：分别说明如下：

（1）PNP晶体管（共发射极接法）

射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。

（2）P沟结型场效应管

P沟结型场效应管具有三个电极，它们是：G——栅极；D—

—漏极；S——源极。电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个

PN结的正向导电方向。在D、S间加上反向电压，则源极和漏

极之间形成电流，我们通过改变栅极和源极的正向电压，就

可以改变两个PN结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟

道电阻，因此就改变了漏极电流。

２．说明耗散功率（或最大功率）的意义，在测量半导体器件时，哪些旋钮使用不当易烧坏管子？

答：晶体管耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。

耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。硅管的结温允许值大约为150°C，锗管的结温允许值为85°C左右。要保证管子结温不超过允许值,就必须将产生的热散发出去.晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成晶体管因过载而损坏。通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。

在测量半导体器件时：

①集电极电压和基极电压的极性的选择；

②集电极扫描电压范围的设置；

③“基极电流”档次的选择；

④测“反向击穿电流”等极限参数的设置等

这些旋钮的使用不当易烧坏管子。

３．简要叙述发光二极管的工作原理。

答：发光二极管的原理如下：

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷

（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射

出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有

单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注

入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近

数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发

辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量

状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，

释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发

红光、绿光或黄光的二极管。

图6所示的是pn结能带，其中，图6(a)表示在平衡状态，图

6(b)表示在正向偏压时，图6(c)表示在注入高密度电流时的电子与

空穴复合产生光的情况