基于虛擬儀器的三極管伏安特性測量的研究

北方工業大學信息工程學院微電子學系 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

北方工業大學信息工程學院微電子學系 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進行了三極管伏安特性測試系統的研究設計。硬件平臺選用NI公司的PCI-6251數據采集卡，實現信號的產生與采集；軟件設計利用NI LabVIEW 8.2開發平臺完成。整個測試系統能方便完成三極管測試電路各節點電壓信號的采集和通道控制，采集數據的精確處理，以及測試結果的顯示和保存。最后利用測試系統對三極管伏安特性進行了測量，實驗結果表明所研制的測試系統達到了設計要求，測試精度高，操作靈活方便，且擴展性強。

虛擬儀器；LabVIEW；數據采集；伏安特性曲線

1.引言

虛擬儀器將儀器技術、計算機技術、總線技術和軟件技術緊密的融合在一起，利用計算機強大的數字處理能力實現了儀器的大部分功能，打破了傳統儀器的框架，形成了一種新的儀器模式。在傳統的半導體參數測試實驗中，通常需要使用多種測量儀器來測量半導體的伏安特性曲線和其他參數。為了降低實驗成本，簡化實驗操作過程，采用虛擬儀器技術在軟件平臺LabVIEW上設計一種半導體伏安特性測試系統，可以方便的顯示半導體器件的特性曲線，并且可將主要參數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構建的測試系統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.測試系統設計

2.1 設計要求及整體方案

本測試系統設計的核心思想是充分發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點，盡量減少外圍硬件的數量。要求系統能夠在硬件設備以及連線大多數不變的前提下，改變軟件程序就可以實現三極管等半導體伏安特性曲線的繪制和參數測量，這樣的設計可以有效降低系統的硬件成本。測試系統原理如圖1。

首先需要構造外圍測試電路，將其搭建在接線盒（或面包板）上。然后，執行程序，數據采集卡會按照信號發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（或節點）的電壓（電流）信號，最后將其反饋到計算機做處理。系統采用NI LabVIEW8.2開發的測試軟件系統，控制測試系統完成所有的測試任務，包括：利用采集卡上的硬件資源產生各種測試信號波形，數據采集，測試種類的控制，采集數據的處理，儀器面板的繪制，以及測試結果的顯示，數據的保存等等。

2.2 數據采集系統設計

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

本測試系統的數據采集部分選用NI公司的PCI-6251型數據采集卡。NI PCI-6251數據采集卡共有16個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道，分別有8個數字輸入輸出通道，2個計數器和定時器，1個ADC，2個DAC。16個模擬輸入通道可以根據采集方式的不同，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 軟件系統設計

軟件開發利用LabVIEW 8.2開發平臺。軟件系統的前面板設計窗口如圖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生交互的窗口。這個窗口模擬真實儀表的面板，用于設置輸入和觀察輸出，能夠實時的顯示半導體的特性曲線，并能方便的調節設置所需要的各個參數。

圖1 測試系統設計原理圖

后面板程序采用平行和嵌套的條件循環發生程序，從而實現對功能的發生與切換的控制。邏輯結構如圖3所示。第一層程序由布爾燈的值來控制，用來決定是否產生電壓信號。第二層程序由功能選擇開關的值來控制，用來決定內部執行的是輸出曲線測試程序還是輸入曲線測試程序；同時，標簽切換程序也由功能選擇開關來控制，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行，則第二層程序無論為何值都不會執行。

3.測試實驗驗證

3.1 測試電路設計

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。對應的實際硬件連接電路如圖5所示。

采集卡的通道設置、端口連接和電阻的取值如下：

①模擬輸出的設定：

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的端口接在圖示節點5處，編號為55的端口接在圖示節點1處。（下同，不再贅述）

AO:1 通道輸出V1掃描信號（階梯波）。

②模擬輸入的設定：

AI:1 通道采集基極電壓信號Urb。

圖2 測試系統的前面板

圖3 功能控制框架的邏輯結構

圖4 測試電路設計示意圖

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射極之間的電壓Uce同集電極電流Ic的函數關系，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“功能選擇”為（真）測輸出特性曲線時，利用循環分別將各個時刻的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，調用當前時刻的一個Ib（1通道）傳入顯示控件作為對參變量的監視。

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，加在基極和發射極的電壓Ube與由它所產生的基極電流Ib之間的函數關系，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”設置為（假）時測輸入特性曲線，提取的參數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，調用當前時刻的一個Uce（2通道）傳入顯示控件作為對參變量的監視。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

本文利用虛擬儀器技術研發了三極管伏安特性測試系統。利用NI公司采集卡上的硬件資源，可以方便地產生所需要的模擬信號，也可以方便地對被測數據進行采集；利用LabVIEW軟件強大的數據處理能力，可靈活方便地對數據進行操作顯示。經過實際測試驗證，整個系統操作靈活，測量精度高，數據存儲方便，擴展性強，可以滿足學校實驗室對半導體器件特性的測試需求。

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