北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 江雪穎 王彥虎 宗博寰 趙治乾 魏淑華 張 靜

基于虛擬儀器的三極管伏安特性測量的研究

北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 江雪穎 王彥虎 宗博寰 趙治乾 魏淑華 張 靜

本文利用虛擬儀器技術(shù)進行了三極管伏安特性測試系統(tǒng)的研究設(shè)計。硬件平臺選用NI公司的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)信號的產(chǎn)生與采集；軟件設(shè)計利用NI LabVIEW 8.2開發(fā)平臺完成。整個測試系統(tǒng)能方便完成三極管測試電路各節(jié)點電壓信號的采集和通道控制，采集數(shù)據(jù)的精確處理，以及測試結(jié)果的顯示和保存。最后利用測試系統(tǒng)對三極管伏安特性進行了測量，實驗結(jié)果表明所研制的測試系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，測試精度高，操作靈活方便，且擴展性強。

虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；伏安特性曲線

1.引言

虛擬儀器將儀器技術(shù)、計算機技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計算機強大的數(shù)字處理能力實現(xiàn)了儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成了一種新的儀器模式。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體參數(shù)測試實驗中，通常需要使用多種測量儀器來測量半導(dǎo)體的伏安特性曲線和其他參數(shù)。為了降低實驗成本，簡化實驗操作過程，采用虛擬儀器技術(shù)在軟件平臺LabVIEW上設(shè)計一種半導(dǎo)體伏安特性測試系統(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)抽取出來單獨進行處理，靈活方便，完全能夠滿足測試實驗的要求。而且利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測試系統(tǒng)具有很強的靈活性與可擴展性，便于后期測試功能的擴展與完善。

2.測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求及整體方案

本測試系統(tǒng)設(shè)計的核心思想是充分發(fā)揮虛擬儀器的靈活性，通用性，擴展性和強大的軟件功能等優(yōu)點，盡量減少外圍硬件的數(shù)量。要求系統(tǒng)能夠在硬件設(shè)備以及連線大多數(shù)不變的前提下，改變軟件程序就可以實現(xiàn)三極管等半導(dǎo)體伏安特性曲線的繪制和參數(shù)測量，這樣的設(shè)計可以有效降低系統(tǒng)的硬件成本。測試系統(tǒng)原理如圖1。

首先需要構(gòu)造外圍測試電路，將其搭建在接線盒（或面包板）上。然后，執(zhí)行程序，數(shù)據(jù)采集卡會按照信號發(fā)生的子程序輸出電壓（電流）掃描信號，并且從指定的端口采集某元件兩端（或節(jié)點）的電壓（電流）信號，最后將其反饋到計算機做處理。系統(tǒng)采用NI LabVIEW8.2開發(fā)的測試軟件系統(tǒng)，控制測試系統(tǒng)完成所有的測試任務(wù)，包括：利用采集卡上的硬件資源產(chǎn)生各種測試信號波形，數(shù)據(jù)采集，測試種類的控制，采集數(shù)據(jù)的處理，儀器面板的繪制，以及測試結(jié)果的顯示，數(shù)據(jù)的保存等等。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器的核心技術(shù)之一。LabVIEW提供了與NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件相配合的豐富軟件資源，使得它能夠方便地將現(xiàn)實世界中各種物理量數(shù)據(jù)采集到計算機中，從而為計算機在測量領(lǐng)域發(fā)揮其強大的功能奠定了基礎(chǔ)。要將數(shù)據(jù)采集到計算機里，并對其進行合理的組織，需要組建一個完整的數(shù)據(jù)采集（DataAcQuisition，DAQ）系統(tǒng)。

本測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分選用NI公司的PCI-6251型數(shù)據(jù)采集卡。NI PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡共有16個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道，分別有8個數(shù)字輸入輸出通道，2個計數(shù)器和定時器，1個ADC，2個DAC。16個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。因為有兩個DAC，可以并行輸出兩路模擬信號。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件開發(fā)利用LabVIEW 8.2開發(fā)平臺。軟件系統(tǒng)的前面板設(shè)計窗口如圖2所示。前面板既接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生交互的窗口。這個窗口模擬真實儀表的面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出，能夠?qū)崟r的顯示半導(dǎo)體的特性曲線，并能方便的調(diào)節(jié)設(shè)置所需要的各個參數(shù)。

圖1 測試系統(tǒng)設(shè)計原理圖

后面板程序采用平行和嵌套的條件循環(huán)發(fā)生程序，從而實現(xiàn)對功能的發(fā)生與切換的控制。邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一層程序由布爾燈的值來控制，用來決定是否產(chǎn)生電壓信號。第二層程序由功能選擇開關(guān)的值來控制，用來決定內(nèi)部執(zhí)行的是輸出曲線測試程序還是輸入曲線測試程序；同時，標(biāo)簽切換程序也由功能選擇開關(guān)來控制，用來切換前面板示波器的文字說明。由于第一層程序包含著第二層程序，如果第一層程序不執(zhí)行，則第二層程序無論為何值都不會執(zhí)行。

3.測試實驗驗證

3.1 測試電路設(shè)計

以測試NPN9013三極管伏安特性曲線為例，測試電路采用簡單的共射（對場效應(yīng)管為共源）放大電路，與采集卡各端口連接的示意圖如圖4所示。對應(yīng)的實際硬件連接電路如圖5所示。

采集卡的通道設(shè)置、端口連接和電阻的取值如下：

①模擬輸出的設(shè)定：

AO:0 通道輸出V0掃描信號（正弦半波）。如圖，將采集卡上編號為22的端口接在圖示節(jié)點5處，編號為55的端口接在圖示節(jié)點1處。（下同，不再贅述）

AO:1 通道輸出V1掃描信號（階梯波）。

②模擬輸入的設(shè)定：

AI:1 通道采集基極電壓信號Urb。

圖2 測試系統(tǒng)的前面板

圖3 功能控制框架的邏輯結(jié)構(gòu)

圖4 測試電路設(shè)計示意圖

圖5 實際測試電路的搭建

AI:2 通道采集集電極-射極電壓Uce。

a.測量輸出特性曲線時，AI:3 通道采集集電極電流信號Urc。

b.測量輸入特性曲線時，AI:0 通道采集基極—射極電壓Ube。

③電阻的取值：

Re取值為300Ω，Rb取值為4700Ω，Rc取值為2200Ω。

圖6 輸出特性曲線測試程序框圖

圖7 三極管輸出特性曲線

圖8 輸入特性曲線測試程序框圖

圖9 三極管輸入特性曲線

3.2 輸出特性曲線的測試

三極管輸出特性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，如公式1。參變量Ib可以用Urb除以Rb的阻值來求出，參變量Ic可以用Urc除以Rc的阻值來求出，而Urb與Urc、Uce可以用DAQ板卡來測量。

測試程序如圖6所示。當(dāng)“功能選擇”為（真）測輸出特性曲線時，利用循環(huán)分別將各個時刻的Uce（2通道）、Ic（3通道）提取，然后錄入移位寄存器，按x-y捆綁后繪制曲線，調(diào)用當(dāng)前時刻的一個Ib（1通道）傳入顯示控件作為對參變量的監(jiān)視。

圖7是參變量Ib=0.18644mA時Ic隨Uce變化的曲線。

3.3 輸入特性曲線的測試

三極管輸入特性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，如公式2。因變量Ib可以用Urb除以Rb的阻值來求出，而Urb、Ube可以用DAQ板卡來測量。

測試程序框架與輸出特性曲線測試時相似，“功能選擇”設(shè)置為（假）時測輸入特性曲線，提取的參數(shù)與測試輸出特性曲線時不同，分別將各個時刻的Ube（0通道）、Ib（1通道）提取，然后錄入移位寄存器，按x-y捆綁后繪制曲線，調(diào)用當(dāng)前時刻的一個Uce（2通道）傳入顯示控件作為對參變量的監(jiān)視。測試程序框圖如圖8所示。

圖9是參變量Uce=0.0688V時Ib隨Ube變化的曲線。

4.總結(jié)

本文利用虛擬儀器技術(shù)研發(fā)了三極管伏安特性測試系統(tǒng)。利用NI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，也可以方便地對被測數(shù)據(jù)進行采集；利用LabVIEW軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力，可靈活方便地對數(shù)據(jù)進行操作顯示。經(jīng)過實際測試驗證，整個系統(tǒng)操作靈活，測量精度高，數(shù)據(jù)存儲方便，擴展性強，可以滿足學(xué)校實驗室對半導(dǎo)體器件特性的測試需求。

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