一種快速測量晶體管共射極直流放大倍數（HFE）的方法

顧漢玉，黎富華，劉慧琳（華潤賽美科微電子（深圳）有限公司，廣東深圳，518116）

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一種快速測量晶體管共射極直流放大倍數（HFE）的方法

顧漢玉，黎富華，劉慧琳
（華潤賽美科微電子（深圳）有限公司，廣東深圳，518116）

摘要：晶體管是一種常用的半導體分立器件，共射極直流放大倍數（HFE）是其重要的一個參數，定義為指定集電極和發射極之間的電壓（Uce）下、指定集電極電流（Ic）時和基極電流（Ib）的比值。晶體管是電流控制型器件，為達到指定Ic，在測量時通常采用掃描法：逐步增加Ib，測量Ic的值，當到達指定值時停止掃描，計算比值。這種方法效率很低，本文介紹了一種快速測試的方法，借助ATE上參數測量單元（PMU）的加流功能，一次就可以快速測量出放大倍數。

關鍵詞：雙極型晶體管（BJT）；共射極放大倍數（HFE）；自動測試設備（ATE）；參數測量單元（PMU）；開爾文測試（Kelvin test）中圖分類號： TN4

文獻標識碼：A

1 晶體管直流放大倍數（HFE）的定義

晶體管有兩大類：雙極型晶體管（BJT： bipolar junction transistor）和場效應晶體管（FET：field-effect transistor），本文討論是雙極型晶體管（文中統一簡稱晶體管）。根據輸入輸出結構的不同，晶體管基本放大電路有三種接法：共發射極、共集電極和共基極接法；其中，共發射極放大電路既可以放大電壓，也可以放大電流，是晶體管放大電路中應用最廣泛的連接方式，所以本文討論共射極接法電路。圖1是共發射極特性曲線測試電路，輸出特性曲線是以Ib為參變量，Ic與Uce間的關系曲線，即Ic=f（Uce）|ib=常數，典型的特性輸出曲線如圖2所示。

圖1 共發射極特性曲線測試電路

在放大區，基極電流Ib對集電極電流Ic有很強的控制作用，即Ib有很小的變化量ΔIb時，Ic就會有很大的變化量ΔIc。為此，用共發射極交流電流放大倍數來表示這種控制能力，定義為：

β= ΔIc/ΔIb|Uce=常數

由于讀取電流的變化量比較困難，基于方便的原因，實際使用更多地采用直流放大倍數（HFE）來測量，直流放大倍數的定義是：

HFE= Ic/Ib |Uce=常數

通常情況下，直流放大倍數和交流放大倍數很接近。實際使用都習慣用直流放大倍數（HFE）。

2 晶體管特性測試儀

為了測試和分析晶體管的特性，人們開發了晶體管特性測試儀。圖3是設備的內部原理圖，測量方法是在基極上施加階梯電流，同時在CE間施加鋸齒波電壓，圖4是相關波形；利用晶體管圖示儀，可以得到圖2中的特性曲線，從而計算出放大倍數。圖示儀具有直觀、全面的優點，對工程分析非常有效，但不適合批量生產。

圖2 共射輸出特性曲線

圖3 晶體管特性測試儀原理框圖

圖4 晶體管特性測試儀掃描波形

3 自動測量設備（ATE）

自動測試設備（ATE，Automatic Test Equipment）是一種由高性能計算機控制的測試儀器的集合體，是由測試儀和計算機組合而成的測試系統，計算機通過運行測試程序的指令來控制測試硬件。測試系統最基本的要求是可以快速且可靠地重復一致的測試結果，即速度、可靠性和穩定性。廣泛用于各類半導體器件的批量生產。根據測試的半導體器件類型，ATE可以分為分立器件測試儀、模擬集成電路電路測試儀、數字電路測試儀和混合電路測試。用于分立器件測試的ATE主要由PMU和繼電器（RELAY）控制構成，以下重點介紹PMU。

PMU（Precision Measurement Unit）全稱是精密測量單元，有些資料稱V/I源（電壓/電流源），是自動測試設備ATE （Automatic Test equipment）的重要組成部分，它能夠施加電壓或電流，并依據PMU所連接的被測單元（簡稱DUT，Device under test）同時測量所得到的電壓或電流，圖5是典型PMU的內部框圖。

PMU有兩種基本工作模式：施加電壓測電流（加壓測流）和施加電流測電壓（加流測壓）。在加壓測流模式下，可以把PMU看作一個電壓源，不僅可以設定輸出電壓，還可以設定限制電流（以保護測試器件）；在加流模式下，可以把PMU當成一個電流源，可以設定輸出電流，同時可以設置限制（保護）電壓。

為了提升PMU驅動電壓的精確度，常使用4條線路的結構（稱為開爾文結構）。開爾文連接有兩個要求：對于每個測試點都有一條激勵線F（Force）和一條檢測線S（Sense），二者嚴格分開，各自構成獨立回路；同時要求S 線必須接到一個有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線S 的電流極小，近似為零。圖6 中r 表示引線電阻。由于流過測試回路的電流為零，在 r3、r4 上的壓降也為零，而激勵電流i在r1、r2 上的壓降不影響i 在被測電阻上的壓降，所以電壓表可以準確測出 Rt兩端的電壓值，從而準確測量出R t 的阻值。測試結果和r 無關，有效地減小了測量誤差。按照作用和電位的高低，這四條線分別被稱為高電位施加線（HF）、低電位施加線（LF）、高電位檢測線（HS）和低電位檢測線（LS）。

圖6 開爾文測試原理

PMU的接地方式有共地和浮動兩種，分別稱為非浮動源（共地源）和浮動源。在非浮動源的ATE中，所有PMU的地線 AGND都是連在一起的，但地檢測線DGS是獨立的；在浮動源的ATE中，沒有傳統意義上的地線，只有高端（H）和低端（L），如果要實現共地，需要把低端連在一起。兩種PMU都可以實現開爾文測試，圖7是兩種情況下的連接示意圖。非浮動V/I源與浮動V/I源的差別在于非浮動V/I源沒有FORCE L 和SENSE L，但其AGND和DGS （DEVICE GROUND SENSE）所起的作用是完全相同的，只是在系統中多路V/I源共用了同一組AGND和DGS而已。因此從四線開爾文測試的角度上來說非浮動V/I源與浮動V/I源沒有本質的區別，可以同樣達到精確驅動和測試的效果。

4 ATE 常規測試原理及優化

圖8是ATE測試晶體管HFE的連接示意圖。類似晶體管特性儀的測試原理，常規的測試方法是采用掃描法（圖9是掃描法的流程圖），設定初值I0和步長Is，逐步加大Ib，同時測量Ic的數值，當Ic達到指定的數值時停止掃描，計算HFE的數值。掃描的次數和初值I0、步長Is的設置有關，通常需要20次左右。

圖7 非浮動源四線開爾文測試示意圖 浮動源四線開爾文測試示意圖

為了節省掃描的時間，可以采用二分法優化（圖10是二分法的流程圖），即設定一個下限L、一個上限H和上限H和下限L的最小差值mini_diff；設置Ib＝（L+H）/2， 同時測量Ic的數值，若Ic小于指定值則L＝（L+H）/2，若Ic大于或等于指定值則H＝（L+H）/2，此時再將（L+H）/2的值給Ib，測試Ic，不斷循環測試，直到H和L的差值小于設定值mini_diff才停止循環，這樣可以將掃描次數減到10次左右。

圖8 ATE測試晶體管HFE的連接示意圖

圖10 二分法測試流程圖

圖9 掃描法測試流程圖

5 一次性測試原理

掃描法不僅速度慢，還需要進行復雜的參數設置，操作很繁瑣，為此，本文提出了一次性測試的方案。圖11為原理示意圖。用PMU1在CE兩端加指定電壓Uce且保證CE兩端電壓恒定， PMU2 從E端引出指定電流Ie， PMU3在B端加電壓然后測量電流Ib，計算HFE＝Ie/Ib。（Ie=Ib+Ic，通常情況下，Ic遠大于Ib，可以認為Ie=Ic，下同）

圖11 一次性測試原理示意圖

從上面原理可以看出，要實現一性測試，PMU1要有保證CE兩端電壓為指定電壓的功能，對于采用浮動源PMU的測試機很容易滿足這要求，圖12是測試示意圖，浮動源PMU1在CE兩端加指定電壓Uce，浮動源PMU2在E端拉電源Ie，浮動源PMU3在B端加電壓測量電流Ib，計算HFE＝Ie/Ib。

對于采用共地源PMU的測試機，要實現一次性測試需要增加一些輔助電路。圖13為原理示意圖，三個運算放大器組成了高阻抗的差分電路，將CE端電壓反饋到PMU1的SENSE端，從而保證了CE兩端的電壓為PMU1設置輸出的電壓。測試的方法同樣是PMU1在CE兩端加指定電壓Uce且保證CE兩端電壓恒定， PMU2 從E端引出指定電流Ic， PMU3在B端加電壓然后測量電流Ib，計算HFE＝Ic/Ib。 圖中PMU1的FORCE和SENSE之間加一個電阻，其作用是防止FORCE、SENSE開路時，PMU工作不穩定，極限情況下會出現FORCE端的輸出為電源供電電壓，這會燒壞被測量的芯片?，F在很多ATE在設計時會在PMU內部增加反饋環節，防止開爾文回路斷開導致電路失控。

圖12 浮動源測試機一性測試原理示意圖

圖13 共地源測試機一性測試原理示意圖

6 測試數據分析

基于上述原理，我們進行了相關實驗：首先取一顆典型的NPN型小功率三極管S8050，按照測試條件（Vce=1V，Ic=50mA）在經典的分立器件測試儀DTS1000 （日本JUNO公司產品） 上重復測量200次，然后用二分法在SCV66模擬測試儀（ATE，日本shibasoku公司產品）上相同條件測試200次；再在該測試儀上用一次測試法測試200次，用Minitab 軟件做圖形對比如下：

圖14 DTS1000 測試數據分布圖

圖15 SCV66 二分法測試數據分布圖

圖16 SCV66 一次法測試數據分布圖

表1 三種測試方法數據對比

從表1數據可以看出，三種測試方法的差異很小，均值、標準差都接近，一次法測試的結果和DTS1000測試的均值非常接近。

7 結論

通過實驗，我們可以看到，本文提出的測試方案可以顯著節省測試時間，同時測試精度也達到了傳統常規測試方法的水平，具有推廣價值。

參考文獻

［1］應用電路分析Applied circuit analysis，［美］Matthew N.O. Sadiku，Sarhan M.Musa，Charles K.Alexander著，機械工業出版社，2103年4月出版

［2］模擬電子技術基礎，孫肖子，張企民，西安電子科技大學出版社，2006年12月第9次印刷

［3］電子儀器手冊，（美）庫姆斯 主編， 科學出版社，2006年出版

［4］低導通電阻MOSFET測試中的自動校驗技術，顧漢玉，微型機與應用2013年5期

［5］STS8200應用文集，AccoTest Business Unit of Beijing Huafeng Test & Control Technology Co.，Ltd

［6］百度文庫，S8050 datasheet， http︰//wenku.baidu.com/ link？url=aYfFOkA8pRft_wCWmLTmKR35u0LB4EuPCSE MD5j1cP3CIrZ5wZ9mAy2GIMp7n5bMbqhAnGQGQJXx 7VRkAyKQH0Q69nr7Stig0nsyKHEKfee

［7］JUNO.有限會社.JUNO－DTS1000系統［M］.分立器件測試，1999

［8］SCV66 series Test system manual， Shibasoku Co.，Ltd，2012

A rapid measuring method for BJT DC current gain

Gu Hanyu，Li Fuhua，Liu huilin
（China Resources Semicon Microelectronics（Shen Zhen） Co.，Ltd，Shen Zhen，Guang Dong，518116 China）

Abstract：BJT（bipolar junction transistor）is a commonly used semiconductor discrete device，and the commom-emitter current gain is one of the important parameters，which is defined as the ratio of the specified collector current（Ic）and the base current（Ib）under the specified voltage between the collector and emitter. The characteristic of BJT is that Ib controls Ic，and scanning method is usually applied for this measurement in order to achieve the specified Ic：gradually increase Ib until Ic reaching the specified value，then calculate the ratio.This method is inefficient，this paper introduces a quick measuring method，which can quickly measure the commom-emitter current gain by using the adding-current function of PMU （parameter measure unit） on the ATE （automatic test equipment） .

Keywords：BJT；HFE；ATE；PMU；Kelvin Test

作者簡介

顧漢玉，男，1968年生，本科，西安交通大學半導體物理與器件專業，高級工程師，長期從事半導體設備的維護改造、集成電路測試及應用。