基于虚拟仪器的半导体特性参数测试仪的设计与研究

北方工业大学电子信息工程学院微电子学系 闫强强 秦东风 马亮亮 陈勇达 郝铁营 魏淑华



基于虚拟仪器的半导体特性参数测试仪的设计与研究

北方工业大学电子信息工程学院微电子学系 闫强强 秦东风 马亮亮 陈勇达 郝铁营 魏淑华

【摘要】本文利用虚拟仪器技术进行了二极管，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，实现数据的产生与采集；软件利用NI公司的 LabVIEW 8.2开发平台完成。整个测试系统能方便的完成二极管，三极管的特性参数测试。

【关键词】虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；伏安特性曲线

1 引言

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NI LabVIEW环境下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。

2 晶体管特性参数测量原理

2.1 二极管正向伏安特性的测量原理

二极管正向伏安特性是指流经它电流的大小与加在二极管两端电压之间的关系。在二极管两端加上随时间而改变的电压，测量二极管在不同电压下通过的电流，就可得到其伏安特性曲线，其测量原理如图2-1所示。

图2-1 二极管正向伏安特性测量电路原理图

2.2 三极管伏安特性的测量原理

利用电压扫描法，其测量原理如图 2-2。即提供两个同步的信号源U1和U2，其中U1是一个阶梯波，U2 是取了绝对值的正弦波。在这两个信号的作用下，就可扫描出三极管的特性曲线。

图2-2 三极管伏安特性测量电路原理图

3 测试平台硬件及测试系统的构建

本系统采用NI公司生产的PCI-6251型DAQ数据采集卡, PCI-6251有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道，分别有8个数字的输出输入通道，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。

4 基于LabVIEW实现二极管的伏安特性测量VI软件设计

根据图2-1的测量原理，构建在LabVIEW上可实现实际二极管的测量程序。程序框图如图4-1，扫描电压是用一个由两帧组成的顺序结构程序实现的。在0帧先产生周期性的信号类型、 频率及幅值可控的电压扫描信号；在1帧中从AI的 0、1两个通道各采集一个电压波形，0 通道是 U1，将其除以10 kΩ后得到电流，单位是A；通道1是U2，将两波形经 Bundle 控件后送给 XY Graph，这样就可以得到所需的特性曲线。对型号为IN4148 型二极管的特性曲线如图4-2，其中横坐标表示二极管两端电压(单位V) ，纵坐标表示流经二极管的电流(单位A)。

图4-1 二极管的伏安特性测量程序框图

图4-2 IN4148型二极管的伏安特性曲线

5 基于LabVIEW实现三极管伏安特性测量VI软件设计

5.1 外部测试电路的接线及前面板设计

以测试NPN9013三极管特性曲线参数为例，测试电路采用共射放大电路，按照图2-2所示搭建外围测试电路，如图5-1所示。其中Re取值为300Ω，Rb取值为4700Ω，Rc取值为2200Ω。

图5-1 外围测试电路的搭建

前面板的设计窗口如图5-2所示。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。

图5-2 仪器的主面板

5.2 扫描信号的产生

利用循环结构实现两种波形的发生，得到测试电路所需要的扫描信号。实验程序如图5-3，程序上面的循环结果产生阶梯波，下面循环的结果产生正弦半波，将两个波都输入DAQ助手，用采集卡来连接信号源。同步后的波形如图5-4所示：

图5-3 扫描信号产生程序

图5-4 波形的同步

5.3 测量输出特性曲线

三极管输出特性通常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，见公式5.31。

基于LabVIEW的三极管输出特性的测试包含两帧顺序结构：首先产生所需要的扫描信号，然后采集与处理相关的数据，测试程序如图5-5。本文采用电压扫描的方法：首先用阶梯波扫描基极回路，正弦波扫描Uce回路，然后采集基极电阻电压URb和集电极到发射极间的电压Uce，以及发射极电阻两端的电压URc。在每一个阶梯内，利用采集到的URc除以Rc即可得到集电极电流Ic，即Y轴的电流变量，采集得到的C，E点之间的电Uce即为X轴的变量，将两个变量组合即可得到三极管的输出特性曲线。用XY graph显示仿真得到的三极管输出特性曲线如图5-6所示。

图5-5 输出特性曲线的测试程序

图5-6 仿真的三极管输出特性曲线

5.4 测量输入特性曲线

三极管输入特性是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，见公式5.51，图5-7为输入特性曲线测量程序：

得到的输入特性曲线如图5-8。我们可以在特性曲线上直观读出曲线上各点坐标,具有很高的精度，这是传统的晶体管特性图示仪远不能达到的。

图5-7 输入特性曲线测量程序

图5-8 仿真的三极管输入特性曲线

6 总结

本文采用了虚拟仪器技术测试了二极管和三极管伏安特性，经实测证明整个系统性价比高、通用性强、数据存储方便、性能稳定可靠，完全可以满足半导体器件测试的需求，而且与传统实验方案相比，节约了实验成本，简化了实验操作，除此之外，本文利用了N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。

参考文献

[1]靳莹瑞.基于LabVIEW三极管特性测试仪的设计[M].中原工学院,科技信息.2011年22期.

[2]隋琦.虚拟三极管伏安特性的测试的设计[M].山东理工大学电器与电子工程学院,1672-6197(2008)05-0088-03.

[3]刘燕,陈兴文.基于虚拟技术的结晶管特性测试[M].大连民族学院学报,2011,5,13(3).

[4]郝育闻.基于虚拟仪器的伏安特性测试[M].大连理工大学电子与信息工程学院,仪器仪表学报,2009,6,30(6)增刊.