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、实验原理一、实验原理 图 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ib和i c 的波形、如 图 2 所示。 V b (t) 0 t +V CCi b (t) I B1 0 I B2 RL R B VBB V o t ic(t) V t I c1 0.9I c1 0.1I c1 0 t0 t1 t2t3t4t5 t 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V BB 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，晶体管相当一个接 通的开关。 由图 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。 在实际测量中， 如果使用双踪示波器， 观察的是输入电压和输出电压的波形， 如图 3 所示。 晶体管开关时间参数一般是按照集电 V t(t) 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 存储时间t s ：从脉冲信号去除到i C 下降 到 0.9I CS i C 从 0.9I CS 下降到 0.1I CS 下降时间t f ： 图 3 开关晶体管输入、输出电压波形 V B 0 t V 0(t) V CC V CES 0 t 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 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 dQ b Q  i b b（1） d t  n 试中Q b 是存储在基区中电子的总电荷， n 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-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 ）减小到（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（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 V V t (1 JO) ] IV DE V CC V JO V CC V BB VC(0)(1) [(1 )  I(1  n ) V V DC DC DETE d B1c 1 nC DETO B1c V C(0) [(1 BB) (1  n )V DE 1 n e 1 ne 1 nC(2) ]  DC ( r  1.7 R l C TC ) ln(  DC I B1  DC I B1  0.1I CS ) 试中V DE 、V DC 分别为发射结和集电结的接触电势差，n c 、n e 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和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 r  DC ( 1  r 1.7R LCTC )ln(  DC I B1 0.1I CS)（3）  DC I B1 0.9I 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 s  s ln(  DC I B1  DC I B2 I I CS 1 )  DC (1.7R LCTC )ln(DCB2)（4）  DC I B2  I CS  T  DC I B2  0.9I CS 试中 s 为存贮时间常数,对于W C L PC 的外延平面管 s  PC ，对于W C 〈 〈L PC 的 外延平面管 s W 2 C /2L pc ， 这里 PC 和L pc 分别为集电区的少子寿命和扩展长度。 1 1.7R LCTC )ln(t f  DC ( r  DC I B2  0.9I CS)（5）  DC I B2  0.1I CS 以上开关时间参数公式的详细推导见参考资料[1]。 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 、 DC 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I B1 和I B2 ，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。 脉冲源还将输出一个触发脉 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