基于虚拟仪器的三极管伏安特性测量的研究

北方工业大学信息工程学院微电子学系 江雪颖 王彦虎 宗博寰 赵治乾 魏淑华 张 静

基于虚拟仪器的三极管伏安特性测量的研究

北方工业大学信息工程学院微电子学系 江雪颖 王彦虎 宗博寰 赵治乾 魏淑华 张 静

本文利用虚拟仪器技术进行了三极管伏安特性测试系统的研究设计。硬件平台选用NI公司的PCI-6251数据采集卡，实现信号的产生与采集；软件设计利用NI LabVIEW 8.2开发平台完成。整个测试系统能方便完成三极管测试电路各节点电压信号的采集和通道控制，采集数据的精确处理，以及测试结果的显示和保存。最后利用测试系统对三极管伏安特性进行了测量，实验结果表明所研制的测试系统达到了设计要求，测试精度高，操作灵活方便，且扩展性强。

虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；伏安特性曲线

1.引言

虚拟仪器将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现了仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。在传统的半导体参数测试实验中，通常需要使用多种测量仪器来测量半导体的伏安特性曲线和其他参数。为了降低实验成本，简化实验操作过程，采用虚拟仪器技术在软件平台LabVIEW上设计一种半导体伏安特性测试系统，可以方便的显示半导体器件的特性曲线，并且可将主要参数抽取出来单独进行处理，灵活方便，完全能够满足测试实验的要求。而且利用虚拟仪器技术构建的测试系统具有很强的灵活性与可扩展性，便于后期测试功能的扩展与完善。

2.测试系统设计

2.1 设计要求及整体方案

本测试系统设计的核心思想是充分发挥虚拟仪器的灵活性，通用性，扩展性和强大的软件功能等优点，尽量减少外围硬件的数量。要求系统能够在硬件设备以及连线大多数不变的前提下，改变软件程序就可以实现三极管等半导体伏安特性曲线的绘制和参数测量，这样的设计可以有效降低系统的硬件成本。测试系统原理如图1。

首先需要构造外围测试电路，将其搭建在接线盒（或面包板）上。然后，执行程序，数据采集卡会按照信号发生的子程序输出电压（电流）扫描信号，并且从指定的端口采集某元件两端（或节点）的电压（电流）信号，最后将其反馈到计算机做处理。系统采用NI LabVIEW8.2开发的测试软件系统，控制测试系统完成所有的测试任务，包括：利用采集卡上的硬件资源产生各种测试信号波形，数据采集，测试种类的控制，采集数据的处理，仪器面板的绘制，以及测试结果的显示，数据的保存等等。

2.2 数据采集系统设计

数据采集是虚拟仪器的核心技术之一。LabVIEW提供了与NI公司的数据采集硬件相配合的丰富软件资源，使得它能够方便地将现实世界中各种物理量数据采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥其强大的功能奠定了基础。要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要组建一个完整的数据采集（DataAcQuisition，DAQ）系统。

本测试系统的数据采集部分选用NI公司的PCI-6251型数据采集卡。NI PCI-6251数据采集卡共有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道，分别有8个数字输入输出通道，2个计数器和定时器，1个ADC，2个DAC。16个模拟输入通道可以根据采集方式的不同，用多通道采集多组信号。因为有两个DAC，可以并行输出两路模拟信号。

2.3 软件系统设计

软件开发利用LabVIEW 8.2开发平台。软件系统的前面板设计窗口如图2所示。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生交互的窗口。这个窗口模拟真实仪表的面板，用于设置输入和观察输出，能够实时的显示半导体的特性曲线，并能方便的调节设置所需要的各个参数。

图1 测试系统设计原理图

后面板程序采用平行和嵌套的条件循环发生程序，从而实现对功能的发生与切换的控制。逻辑结构如图3所示。第一层程序由布尔灯的值来控制，用来决定是否产生电压信号。第二层程序由功能选择开关的值来控制，用来决定内部执行的是输出曲线测试程序还是输入曲线测试程序；同时，标签切换程序也由功能选择开关来控制，用来切换前面板示波器的文字说明。由于第一层程序包含着第二层程序，如果第一层程序不执行，则第二层程序无论为何值都不会执行。

3.测试实验验证

3.1 测试电路设计

以测试NPN9013三极管伏安特性曲线为例，测试电路采用简单的共射（对场效应管为共源）放大电路，与采集卡各端口连接的示意图如图4所示。对应的实际硬件连接电路如图5所示。

采集卡的通道设置、端口连接和电阻的取值如下：

①模拟输出的设定：

AO:0 通道输出V0扫描信号（正弦半波）。如图，将采集卡上编号为22的端口接在图示节点5处，编号为55的端口接在图示节点1处。（下同，不再赘述）

AO:1 通道输出V1扫描信号（阶梯波）。

②模拟输入的设定：

AI:1 通道采集基极电压信号Urb。

图2 测试系统的前面板

图3 功能控制框架的逻辑结构

图4 测试电路设计示意图

图5 实际测试电路的搭建

AI:2 通道采集集电极-射极电压Uce。

a.测量输出特性曲线时，AI:3 通道采集集电极电流信号Urc。

b.测量输入特性曲线时，AI:0 通道采集基极—射极电压Ube。

③电阻的取值：

Re取值为300Ω，Rb取值为4700Ω，Rc取值为2200Ω。

图6 输出特性曲线测试程序框图

图7 三极管输出特性曲线

图8 输入特性曲线测试程序框图

图9 三极管输入特性曲线

3.2 输出特性曲线的测试

三极管输出特性是指在一定的基极电流Ib控制下，三极管的集电极与发射极之间的电压Uce同集电极电流Ic的函数关系，如公式1。参变量Ib可以用Urb除以Rb的阻值来求出，参变量Ic可以用Urc除以Rc的阻值来求出，而Urb与Urc、Uce可以用DAQ板卡来测量。

测试程序如图6所示。当“功能选择”为（真）测输出特性曲线时，利用循环分别将各个时刻的Uce（2通道）、Ic（3通道）提取，然后录入移位寄存器，按x-y捆绑后绘制曲线，调用当前时刻的一个Ib（1通道）传入显示控件作为对参变量的监视。

图7是参变量Ib=0.18644mA时Ic随Uce变化的曲线。

3.3 输入特性曲线的测试

三极管输入特性指三极管输入回路中，加在基极和发射极的电压Ube与由它所产生的基极电流Ib之间的函数关系，如公式2。因变量Ib可以用Urb除以Rb的阻值来求出，而Urb、Ube可以用DAQ板卡来测量。

测试程序框架与输出特性曲线测试时相似，“功能选择”设置为（假）时测输入特性曲线，提取的参数与测试输出特性曲线时不同，分别将各个时刻的Ube（0通道）、Ib（1通道）提取，然后录入移位寄存器，按x-y捆绑后绘制曲线，调用当前时刻的一个Uce（2通道）传入显示控件作为对参变量的监视。测试程序框图如图8所示。

图9是参变量Uce=0.0688V时Ib随Ube变化的曲线。

4.总结

本文利用虚拟仪器技术研发了三极管伏安特性测试系统。利用NI公司采集卡上的硬件资源，可以方便地产生所需要的模拟信号，也可以方便地对被测数据进行采集；利用LabVIEW软件强大的数据处理能力，可灵活方便地对数据进行操作显示。经过实际测试验证，整个系统操作灵活，测量精度高，数据存储方便，扩展性强，可以满足学校实验室对半导体器件特性的测试需求。

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