在最近几十年里，半导体材料和器件的发展非常快。半导体器件和种类很多，典型的放大器件有双极型晶体管和场效应管。了解这些器件的工作原理及掌握其主要参数的测量有重要的实用价值。

【实验目的】

(1)熟悉了解双极、场效应晶体管，发光、光敏二极管等半导体单元器件的基本原理、特性和主要参数;

(2)学会使用“半导体管特性图示仪”测量各类半导体器件的特性曲线和直流参数。

【实验原理】

1. 电子、空穴与能带

半导体是由大量原子组成的晶体，由于原子之间距离很近，相邻原子上的电子轨道发生一定程度的交叠，电子不再属于某个原子而可以穿行于整个晶体，由此导致了原子能级分裂为能带。以最常用的半导体硅为例，硅的最外层有4个价电子，每个硅原子近邻有4个硅原子，这样每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。它们所处的能带为价带，比价带能量更高的能带是导带，它们中间隔着不允许存在的能量状态区域称为禁带。当共价键内的束缚电子获得足够能量(例如热能、光能)，可以摆脱共价键的束缚成为自由电子，我们称此时价带中的电子跃迁到了导带。电子跃迁后，在原来的位置上留下了一个空位——“空穴”，邻键上的电子随时可以转移过来填补这个空位，共价键中这种束缚电子的移动用“空穴”的移动来表示。自由电子和空穴都能参与导电，统移载流子。

2. 电子跃迁与吸收波长、发光的波长

电子的跃迁是和能量的交换分不开的。电子必须吸收能量才能从低能级跃迁到高能级，电子从高能级跃迁到低能级则必须放出多余的能量。电子跃迁过程中交换的能量若是热运动的能量，则称为热跃迁; 若是光的能量，则称为光跃迁。半导体光电器件的原理就是基于光跃迁的。

光跃迁的过程中，光的吸收和发射都是取光子的形式。光子的能量由光的频率v或波长λ决定。

3. 发光二极管的原理

发光二极管用GaP，Ga1-xAlxAs，Ga As1-xPx，GaAs等半导体材料制备，管芯通常采用PN结结构。发光二极管在正向偏置电压下工作。当PN结加上正压时，将发生注入。注入的少数载流子与多数载流子发生复合，即电子从高能级跃迁到低能级，必将放出多余的能量——光能，它对应为一定波长的光。图19.1是发光二极管在正偏VF工作时的能带示意图。

图19.1 发光二极管正偏工作时能带示意图

4. 光电二极管的原理

光电探测器的结构种类很多，最常用的有光电导型(光照产生的光生载流子改变导体的电导率)和光伏型(光照产生的电子、空穴在内建电场的作用下产生光生电压)。光电二极管是光伏型中的一种，它是由PN结构成的。根据探测不同波长的光，选用不同带隙的半导体材料来制备。探测器在反向偏压(或零偏压)下工作。当光电二极管受光照射后，价带内的电子受到一定能量的光子激发进入导带，在价带中产生相同数量的空穴。这些光生电子-空穴对在PN结内建电场作用下移动到PN结外接负载回路，则会形成光生电流。图19.2是光电二极管反偏工作时的能带示意图。

图19.2 光电二极管反偏工作时能带示意图

【实验仪器】

半导体管特性图示仪、计算机、发光二极管、三极管

“半导体管特性图示仪”是一种用示波管显示半导体器件的各种特性曲线，并可测量其重要参数的测试仪器。该仪器主要由阶梯信号发生器、集电极扫描电压、X轴和Y轴放大器、二簇电子开关、低压电源、高频高压电源及示波器控制电路等部分组成。其电路原理框图如图19.3所示。

图19.3 半导体管特性图示仪的电路原理框图

该仪器主要的电路是提供一个50Hz市电经全波整流后成为100Hz正弦波的集电极扫描电压和一个提供给基极的阶梯波电压(或电流)，如图19.4所示

图19.4 集电极扫描电压波形图和基极阶梯电流波形图

测试端口说明:

【实验内容及步骤】

1. 实验步骤

(1)首先接通计算机和仪器电源，启动控制程序。

(2)在设置区中，选择被测量的器件类型。

(3)设置有关测量参数，然后点击程序界面上“测量”按钮。

(4)修饰测量得到的特性曲线，得出有关器件的参数。

(5)打印曲线，保存数据。

(6)变换器件重复步骤(2) ～(5)。

(7)退出控制程序，关闭仪器电源。

2. 实验内容

用xj4810型半导体管特性图示仪测量双极型三极管、结型场效应管和各种类型二极管。(www.daowen.com)

(1)了解图示仪的电路结构框图并掌握面板各旋钮用途。

(2)测量双极型晶体管3DG6C(NPN型硅管)的特性和参数。

一般三极管管脚的辨认方法是，把管脚朝向观察者，管脚的位置如图19.5所示。二极管的管脚通常为一长一短，长者为正。

图19.5 常用三极管管脚的辨认

晶体管的管脚与图示仪的C、B、E三个接入端头的连接法如图19.6所示。

图19.6 晶体管在图示仪上的连接法

①测量共射极电路的输出特性:

观察并记录曲线簇图形(不要求很精确)，由曲线上求出工作点Q(UCE=5V， IC=3mA)处的交流放大系数β，

②测量共发射极电路的输出特性:

观察UCE=0V，UCE＞1V的曲线，并记录图形，测量输入阻抗Zab= (IB=80μA)。

③测时共基极电路的输入、输出特性曲线，求出电流放大系数α，比较与共射极电路的异同。

④测量极间反向电流ICEO和反向击穿电压BUCEO，将以上测出的β、ICEO、BUCEO值与手册上的参数值相比，看是否满足要求。(手册上的参数值是: ICEO≤100mA，测试条件UCE=10V，BUCEO≥20V)

(3)测量结型场效应管的特性及参数。

①测量结型场效应管的输出特性。

②测量转移特性曲线。

(4)测量二极管。

①测量发光二极管。发光二极管工作在正向。观察正向导通电电压数值及发光强度与电流大小的关系。

②测量光电二极管。该管工作在反向或零偏电压。观察光照强度加大时，光生电流变化的情况。

③测量硅、锗二极管(2CZ82，2AP1)的正、反向I-U特性曲线，比较导通电压和反向漏电流的大小。

④测量稳压管(2CW7)，记录稳定电压UZ和动态电阻r Z。

【思考题】

(1)试分别说明PNP晶体管(共发射极接法)和P沟结型场效应管在工作时各电极应加什么极性电压，并简要说明原因。

(2)说明耗散功率的意义，在测量半导体器件时，哪些旋钮使用不当易烧坏管子?

(3)简要叙述发光二极管的工作原理。如果要制备峰值波长为480nm的蓝色发光二极管，试计算以本征跃迁完成光发射的管芯半导体材料禁带宽度的理论值。

【注意事项】

(1)在实验中，很多管子断脚损坏是由于分开管脚方法不当引起的，要注意分开或弯曲管脚时，不能用力扒开管脚，那样会使着力点落在管脚根部，易造成管脚从根部折断，无法焊接修补。要用手指顶在距管脚根部某一距离(如＞0.5cm)处再往外分开或弯曲，以使着力点离开根部。

(2)注意正确选择各旋钮，以防烧坏补测晶体管。

①测量NPN、PNP双极晶体管和N沟、P沟结型场效应管时，集电极电压和基极电压的正、负极性应选择正确，以防工作不正常或烧坏管子。

②对中、小功率管，集电极扫描电压范围一般置于“10V”档。

③“基极电流”选择档次不要过大，对于小功率管(Pcm≤300mW，通常为100mW)，测Ib时，选“1～20μA”档为宜。Ib过大易使管子超过Pcm而烧坏。

④测“反向击穿电压”等极限参数时，要置集电极电阻Rc≥25kΩ，以防烧坏管子。

(3)待测管已接入图示仪，若需转换测量另一个参数时，可以不取下管子，但要先把“集电极扫描电压”旋钮旋至最小，再把其他各旋钮置于正确位置后进行测量。

(4)当对被测管子型号、极性等不清楚时，开始慢慢加大“集电极扫描电压”，看看出现什么图形，若曲线与设想相合，可大胆加大电压; 若不合，要找出原因，重新选择旋钮，以防烧坏管子。