北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 閆強(qiáng)強(qiáng) 秦東風(fēng) 馬亮亮 陳勇達(dá) 郝鐵營(yíng) 魏淑華

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基于虛擬儀器的半導(dǎo)體特性參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與研究

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 閆強(qiáng)強(qiáng) 秦東風(fēng) 馬亮亮 陳勇達(dá) 郝鐵營(yíng) 魏淑華

【摘要】本文利用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了二極管，三極管伏安特性測(cè)試系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)選用NI公司的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與采集；軟件利用NI公司的 LabVIEW 8.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)能方便的完成二極管，三極管的特性參數(shù)測(cè)試。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；伏安特性曲線

1 引言

在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通常需要使用多種測(cè)量?jī)x器來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體的伏安特性曲線和其他參數(shù)。為了降低實(shí)驗(yàn)成本，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，采用虛擬儀器技術(shù)在NI LabVIEW環(huán)境下設(shè)計(jì)一種半導(dǎo)體伏安特性測(cè)試系統(tǒng)，可以方便的顯示半導(dǎo)體器件的特性曲線，并且可將主要參數(shù)抽取出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行處理，靈活方便，完全能夠滿足測(cè)試實(shí)驗(yàn)的要求。

2 晶體管特性參數(shù)測(cè)量原理

2.1 二極管正向伏安特性的測(cè)量原理

二極管正向伏安特性是指流經(jīng)它電流的大小與加在二極管兩端電壓之間的關(guān)系。在二極管兩端加上隨時(shí)間而改變的電壓，測(cè)量二極管在不同電壓下通過(guò)的電流，就可得到其伏安特性曲線，其測(cè)量原理如圖2-1所示。

圖2-1 二極管正向伏安特性測(cè)量電路原理圖

2.2 三極管伏安特性的測(cè)量原理

利用電壓掃描法，其測(cè)量原理如圖 2-2。即提供兩個(gè)同步的信號(hào)源U1和U2，其中U1是一個(gè)階梯波，U2 是取了絕對(duì)值的正弦波。在這兩個(gè)信號(hào)的作用下，就可掃描出三極管的特性曲線。

圖2-2 三極管伏安特性測(cè)量電路原理圖

3 測(cè)試平臺(tái)硬件及測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建

本系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的PCI-6251型DAQ數(shù)據(jù)采集卡, PCI-6251有16個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道，分別有8個(gè)數(shù)字的輸出輸入通道，2個(gè)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，1個(gè)ADC,2個(gè)DAC。16個(gè)模擬輸入通道可以根據(jù)采集方式的不同，用多通道采集多組信號(hào)。因?yàn)橛袃蓚€(gè)DAC，可以并行輸出兩路模擬信號(hào)。

4 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)二極管的伏安特性測(cè)量VI軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2-1的測(cè)量原理，構(gòu)建在LabVIEW上可實(shí)現(xiàn)實(shí)際二極管的測(cè)量程序。程序框圖如圖4-1，掃描電壓是用一個(gè)由兩幀組成的順序結(jié)構(gòu)程序?qū)崿F(xiàn)的。在0幀先產(chǎn)生周期性的信號(hào)類型、 頻率及幅值可控的電壓掃描信號(hào)；在1幀中從AI的 0、1兩個(gè)通道各采集一個(gè)電壓波形，0 通道是 U1，將其除以10 kΩ后得到電流，單位是A；通道1是U2，將兩波形經(jīng) Bundle 控件后送給 XY Graph，這樣就可以得到所需的特性曲線。對(duì)型號(hào)為IN4148 型二極管的特性曲線如圖4-2，其中橫坐標(biāo)表示二極管兩端電壓(單位V) ，縱坐標(biāo)表示流經(jīng)二極管的電流(單位A)。

圖4-1 二極管的伏安特性測(cè)量程序框圖

圖4-2 IN4148型二極管的伏安特性曲線

5 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)三極管伏安特性測(cè)量VI軟件設(shè)計(jì)

5.1 外部測(cè)試電路的接線及前面板設(shè)計(jì)

以測(cè)試NPN9013三極管特性曲線參數(shù)為例，測(cè)試電路采用共射放大電路，按照?qǐng)D2-2所示搭建外圍測(cè)試電路，如圖5-1所示。其中Re取值為300Ω，Rb取值為4700Ω，Rc取值為2200Ω。

圖5-1 外圍測(cè)試電路的搭建

前面板的設(shè)計(jì)窗口如圖5-2所示。面板既接受來(lái)自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生交互的窗口。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的面板。

圖5-2 儀器的主面板

5.2 掃描信號(hào)的產(chǎn)生

利用循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種波形的發(fā)生，得到測(cè)試電路所需要的掃描信號(hào)。實(shí)驗(yàn)程序如圖5-3，程序上面的循環(huán)結(jié)果產(chǎn)生階梯波，下面循環(huán)的結(jié)果產(chǎn)生正弦半波，將兩個(gè)波都輸入DAQ助手，用采集卡來(lái)連接信號(hào)源。同步后的波形如圖5-4所示：

圖5-3 掃描信號(hào)產(chǎn)生程序

圖5-4 波形的同步

5.3 測(cè)量輸出特性曲線

三極管輸出特性通常是指在一定的基極電流Ib控制下，三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce同集電極電流Ic的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)公式5.31。

基于LabVIEW的三極管輸出特性的測(cè)試包含兩幀順序結(jié)構(gòu)：首先產(chǎn)生所需要的掃描信號(hào)，然后采集與處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，測(cè)試程序如圖5-5。本文采用電壓掃描的方法：首先用階梯波掃描基極回路，正弦波掃描Uce回路，然后采集基極電阻電壓URb和集電極到發(fā)射極間的電壓Uce，以及發(fā)射極電阻兩端的電壓URc。在每一個(gè)階梯內(nèi)，利用采集到的URc除以Rc即可得到集電極電流Ic，即Y軸的電流變量，采集得到的C，E點(diǎn)之間的電Uce即為X軸的變量，將兩個(gè)變量組合即可得到三極管的輸出特性曲線。用XY graph顯示仿真得到的三極管輸出特性曲線如圖5-6所示。

圖5-5 輸出特性曲線的測(cè)試程序

圖5-6 仿真的三極管輸出特性曲線

5.4 測(cè)量輸入特性曲線

三極管輸入特性是指三極管輸入回路中，加在基極和發(fā)射極的電壓Ube與由它所產(chǎn)生的基極電流Ib之間的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)公式5.51，圖5-7為輸入特性曲線測(cè)量程序：

得到的輸入特性曲線如圖5-8。我們可以在特性曲線上直觀讀出曲線上各點(diǎn)坐標(biāo),具有很高的精度，這是傳統(tǒng)的晶體管特性圖示儀遠(yuǎn)不能達(dá)到的。

圖5-7 輸入特性曲線測(cè)量程序

圖5-8 仿真的三極管輸入特性曲線

6 總結(jié)

本文采用了虛擬儀器技術(shù)測(cè)試了二極管和三極管伏安特性，經(jīng)實(shí)測(cè)證明整個(gè)系統(tǒng)性價(jià)比高、通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便、性能穩(wěn)定可靠，完全可以滿足半導(dǎo)體器件測(cè)試的需求，而且與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案相比，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，除此之外，本文利用了N公司采集卡上的硬件資源，可以方便地產(chǎn)生所需要的模擬信號(hào)，也可以方便地對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可靈活方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作顯示。

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