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
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ 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RL和RB分别为负载电阻和基极偏置电阻-VBB
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和+VCC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Vb，基极和集电极电流ib和ic的波形如图7.2所示。 当基极无信号输入时，由于负偏压VBB的作用，使晶体管处于截至状态，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的开关。
当给晶体管输入正脉冲Vb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VCES，集电极电流为饱和电流ICS。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Vb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ICS，当输入脉冲去除时，基极电流立刻变到反向基极电流IB2，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ic的变化来定义： 延迟时间td：从脉冲信号加入到ic上升到0.1ICS。 上升时间tr：ic从0.1ICS上升到0.9ICS。
存贮时间ts：从脉冲信号去除到ic下降到0.9ICS。 下降时间tf：ic从0.9ICS下降到0.1ICS。
其中td+tr即开启时间ton、ts+tf即关闭时间toff，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
dQbQ?ib?b （7.1） dt?n式中Qb是贮存在基区中电子的总电荷， ?n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-VBB上升到微导通电压VJO(约0.5V)，集电结反向偏压由(VCC+VBB)减少到(VCC-VJO)，这个过程是基极电流IB1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
tdVDECTE?0???VBB?????1??IB1?1?ne ???VDE???1?ne?VJO??1??VDE?????1?ne????????1-neVCC?VBB??VCC?VJOVDECTE?0????????1??1???IB1?1?nc???VDCVDC???????DCIB1??DC??T?1.7RLCTC?ln???I?0.1I??CS??DCB1?? （7.2） ??第 2 页 共 9 页
式中VDE、VDC分别为发射结和集电结的接触电势差，ne、nc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、集电结势垒电容充电，使发射结偏压由VJO
上升到导通电压VF（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
?1???DCIB1?0.1ICS?? （7.3） tr??DC??1.7RLCTC?ln?????r?I?0.9I???DCB1CS?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
??DCIB1??DCIB2??1???DCIB2?ICS?????? （7.4） ts??Sln????1.7RCDC?LTC?ln???I?I??DCB2CS??T???DCIB2?0.9ICS???式中?s为存贮时间常数，对于WC>LPC的外延平面管?s??PC，对于WC << LPC的外延平面
?s?Wc22Lpc管，这里τ
PC和LPC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
?1???DCIB2?0.9ICS???tf??DC??1.7RLCTC?ln???? （7.5） ??I?0.1ICS??T??DCB2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、βDC等晶体管本身的参数，也取决于IB1、IB2及ICS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： td： 晶体三极管的延迟时间 tr： 晶体三极管的上升时间 ton：晶体三极管的开启时间
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