1、 本 科 毕 业 设 计 基于双踪示波器的半导体管特性图示仪设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 电子器件是电子产品的重要部分，是决定电子产品质量高低的关键，因而在电子产品制作中必须把握电子器件的主要性能指标。本 设计是为业余人员在业余条件对三极管、二极管等电子器件的主要特性进行简单测试而开发的一款电子产品，他是利用通用的双踪示波器的X-Y 测试功能，在屏幕上显示半导体器件的特性曲线。所设计的测试装置由 DC-DC 变换电路、脉冲产生电路、锯齿波发生器及其倒相电路，阶梯波发生器及其倒相电路、电流取样电路、电位平移电路以及晶体管连接
2、口等组成。所产生的阶梯波电压通过限流电阻加到三极管的基极，提供基极阶梯电流，锯齿波电压作为晶体管的供电电压加到晶体管上，同时取出晶体管上的这一锯齿波电压输入至示波器的 X 轴进行扫描，代表电压变化参数 ，再对三极管或二极管的输出电流进行取样并放大，输出至未波器的 Y 轴进行电流显示。本测试装置作为示波器的一个附件，外挂于示波器的输入口，可以用于低电压条件下晶体二极管特性曲线、 PNP 和NPN 型晶体三极管特性曲线的测量，从特性曲线中获取晶体管的一些参数信息。本装置采用一节 9V 叠层电池供电，功耗小，制作成本低，操作简单，实用性强。同时，为示波器增加了一个重要的测量功能。 关键词 ： 三极管
3、；输出特性；阶梯波；三角波 II Abstract Electronic devices are an important part of electronic products, is to determine the key criteria of quality electronic products, electronic products, thus making electronic devices must grasp the key performance indicators. This design is for the amateur in amateur conditi
4、ons on the transistors, diodes and other electronic devices while the main characteristics of the development of a simple test of electronic products, he is using a common dual trace oscilloscope XY test function, the screen of semiconductor devices curve. The designed test device consists of DC-DC
5、conversion circuit, pulse generating circuit, sawtooth generator and inverter circuits, and reverse-phase step wave generator circuit, current sampling circuit, the potential shift circuit and transistor connectors and other components. Step-wave voltage generated by current-limiting resistor added
6、to the base of the transistor provides base current step, ramp voltage as the transistor supply voltage is applied to the transistor, the transistors on the same time remove the sawtooth voltage input to the oscilloscope X-axis scan, on behalf of voltage parameters, and then the output current of th
7、e transistor or diode to sample and amplify the output to filter the Y axis is not the current display. The testing device as an annex to the oscilloscope, plug-in oscilloscope input, low-voltage conditions can be used for the crystal diode characteristic curve, PNP and NPN-type transistor character
8、istic curve measurement, the transistor from the curve to get some parameter information. This device uses a 9V laminated battery-powered, low power consumption, low production cost, simple, practical. Meanwhile, to a significant increase in the oscilloscope measurements. Keyword： Transistor; output
9、 characteristics; ladder wave; triangle wave III 目录 前 言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 半导体概述 . 2 1.2 二极管 . 2 1.2.1 二极管的简介 . 2 1.2.2二极管的特性曲线 . 2 1.3 三极管 . 3 1.3.1 三极管的简介 . 3 1.3.2 三极管的特性曲线 . 4 1.4 半导体的测量 . 5 1.4.1 半导体的测量原理 . 5 1.4.2 不同的测量方法以及比较 . 5 第 2 章 晶体管特性图示仪的总体设计方案 . 10 2.1 本次设计的主要任务 . 10 2 2设计思路 . 10 2.2
10、.1 测二极管伏安特性图 . 10 2.2.2 测三极管伏安特性图 . 10 2.3 总体设计框架 . 11 第 3 章 特性仪各模块电路设计 . 12 3. 1阶梯波电压产生电路的选择 . 12 3.1.1 利用模电技术设计阶梯波产生电路 . 12 3.1.2 单片机控制阶梯波产生 . 13 3.2 阶梯波电 压产生电路 . 14 3.2.1 CD4060 芯片简介 . 14 3.2.2 二进制编码产生电路 . 15 3.2.3 阶梯波电压产生 . 16 3.2.4 阶梯波电压反向电路 . 18 3.3 扫描电压的产生 . 19 IV 3.3.1 三角波的产生 . 19 3.3.2 三角波反
11、向电路 . 20 3.4 三极管的接法 . 21 3.5 用加法电路实现电位调整 . 22 3.6 电源供电方式和负电压产生电路 . 23 3.6.1TL7660 芯片简介 . 23 3.6.2 负电压产生电路 . 24 3.7 电路 总体设计 . 24 第 4 章 图示仪的实物制作及调试 . 24 4.1 原理图绘制 . 24 4.2 封装图的设计 . 25 4.3 电路板的焊接 . 26 4.4 电路的调试 . 26 4.6 本次设计的实物制作 . 32 小结 . 33 参考文献 . 34 附录 1 . 35 附录 2 . 36 1 前 言 现代电子产品正以前所未有的速度，向着多功能化、体
12、积最小化、功耗最低化的方向发展，机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业乃至航空航天和军事领域。无论是日常生活还是高端科技领域，电子技术的应用均日益深入。掌握必备的电子系统设计制作基础知识和基本技能，能够满足我国目前产业结构对广大技术工人、工程技术人员基本素质的要求，而且能为从事高端电子系统开发培养能力和素质，适应信息时代的需要。 电子器件是电子产品的重要部分，是决定电子产品水平高低的关键，其技术水平直接决定电子产品的质量与性能。 从 无线通信、电视数字化、无线传感器网络 (WSN)到 MEMS， 各种电子器件都是由半导体制造的 。在整个知识经济规模下，半导体经济所占的比重虽然不是那么大，但是它
13、对促成整个知识经济规模的贡献度非常大。 半导体市场兴旺与否直接动因是市场经济发展的动向 ,由于半导体产业的崛起，人类实现了诸如移动电话、数字电视、打印机设备非常多的应用 ,随后还推动了更上层的服务，包括 Google、中国移动这些网络及电信服务供货商们也开始兴起。这些发展可以证实，半导体带动了整个产业，其在经济增长中所起到的是乘数效应。 我国的半导体产业近几年有了 长足的进步 ,但距世界先进水平差距甚远。从半导体产品需求角度讲 ,我国对各类集成电路需求量极大。半导体产业的发展水平是一个国家进入信息化社会的重要标志。在发达国家 ,国民经济的各个门类的基础产品和设备都与半导体芯片有关。因而发达国家
14、的每年的产值中有 65%来自半导体集成电路的应用。 半导体产业在促成今日庞大知识经济规模的道路上扮演着举足轻重的角色。在整个经济体系中，半导体这个高度知识与技术集中的产业 ,正带领着全人类往更先进、更科技的方向前进。 要推进半导体产业的发展，就必须先彻底了解半导体的特性，才能更好的利用半导体 设计出各种半导体集成电路 1 。 本次设计是为测试晶体管的伏安特性曲线，对研究半导体的特性，推动半导体产业的发展具有使用价值。 2 第 1 章 绪论 1.1 半导体概述 半导体是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质 1 。 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小、重量轻
15、、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。 本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在本征半导体中掺入微 量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为空穴（ P）型半导体和电子（ N）型半导体两大类。 P 型半导体与 N 型半导体相互接触时，其交界区域称为 PN结。 半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑 IC、模拟 IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域 、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照 IC、 LSI、 VLSI（超大 LSI）及其规模
16、进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成 及功能进行分类的方法。 目前使用得最广泛的是半导体器件 半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。 1.2 二极管 1.2.1 二极管的简介 二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛 2。 1.2.2二极管 的 特性曲线 与 PN 结一样，二极管具有单向导电性。硅二极管典型伏安
17、特性曲线（图 1.1）。在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小；当电压超过 0.6V 时，电流开始按指数规律增大，通常称此为二极管的开启电压；当电压达到约 0.7V 时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号 UD 表示。 在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流 IS。当反向电压超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号 UBR 表示。不同型号的二极管的击穿电压 UBR 值差别很大，从几十伏到几千伏。如图 1.1 所示。 3 图 1.1 二极管的伏安特性曲线 1.3 三极管 1.3.1
18、三极管的简介 晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大，它是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管 3。 三极管基本机构是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP 和 NPN 两种， 从三个区引出相应的电极，分别为基极 b 发射极 e 和集电极 c。发射区和基区之间的 PN 结叫发射结，集电区和基区之间的 PN 结 叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大， PNP型三极管发射区 “发射 “的是空穴，其移动方向与电流方向一致，
19、故发射极箭头向里； NPN 型三极管发射区 “发射 “的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是 PN 结在正向电压下的导通方向。 三极管是一种控制元件，三极管的作用非常的大，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压 UB 有一个微小的变化时，基极电流 IB 也会随之有一小的变化，受基极电流 IB 的控制，集电极电流 IC 会有一个很大的变化，基极电流 IB 越大，集电极电流 IC 也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电
20、流的变化大得多，这就是三极管的电流放大作用。三极管的作用还有电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器，此外三极管还有稳压的作用。 4 1.3.2 三极管 的 特性曲线 1、三极管的输入特性曲线 图 1.2 是三极管的输入特性曲线，它是指当集电极电压与发射极电压 UCE 是常量时，输入回路中基极电压 UBE 与基极电流之间 BI 的关系。在室温条件下，输入特性曲线受 UCE 的影响，UCE 增加，输入曲线向右移动。但是当 UCE 1V 时，虽然 UCE 增加，但是特性曲线基本保持不变。一般情况下满足 UCE 1V 的条件，所以我们通常使用 UCE 1V 时的特性曲线。 图 1.2 三极管输入特性曲
21、线 2、三极管的输出特性曲线 图 1.3 是三极管的输出特性曲线。从图中可以看出，当 IB 变化， IC 与 UCE 的关系曲线就会移动，因此三极管的输出特性是一簇曲线。集电极电流 IC 与集电极电压 UCE 之间的关系可以用如下函数表示： ()C C E BI f U I常 数 图 1.3 三极管输出特性曲线 5 1.4 半导体的测量 半导体晶体管的输入、输出特性曲线测试 ,是模拟电子技术最基本的实验之一。掌握正确的测试方法 ,才能得到正确的结果。而不同测试电路对测试所用时间，简易程度，精确程度会造成不同的影响，甚至可能可能得到的不同结果 ,因此有必要对不同的测试方法进行分析，以给出最合理的
22、测试电路，得出最精确的测量结果 2 。 1.4.1 半导体的测量原理 1、二极管伏安特性曲线的测量 7 二极管伏安特性曲线测试电路如图 1.4 所示。 二极管导通的条件是正向电压，当二极管的正向电压大于死区电压时，二极管开始导通；二极管完全导通后，其正向压降基本不变；二极管承受反向电压时，其内部仅有很小的反向漏电流，一般视为反向截止。当二极管承受的反向电压达到某一值（ VB）时，二极管反向击穿。 图 1.4 二极管伏安特性曲线测试电路 2、三极管输出特性的测试 按图 1.5 所示连接线路，图中 U1、 U2 由实验箱直流信号源提供。调节 U2，使其电压为，即 UCE 不变，然后调节 U1，使得
23、电阻上的电压为 1.0，即可得基极电流 IB =UR /R=1.0mA，然后测量 IC ，填入表中，按表中数据进行测量，测量完后绘制三极管输出特性曲线。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 - J u n - 2 0 1 0 S h e e t o f F i l e : D : P r o g r a m F i l e s D e s i g n E x p l o r e r 9 9 S E L i b r a r y S c h M i s c e l l a n e o u s D e v i c e s . d d bD r a w n B y :T1mAU2U1R 1K+_+_V+_+ _图 1.5 三极管输出特性测试电路 1.4.2 不同的测量方法以及比较 20 1、 逐点描绘法 8 、 测量方法：
