Измерение параметров транзисторов: методики и практические советы

Рассмотрим два основных типа устройств: биполярный (БТ, BJT) и полевой (ПТ, FET). Они работают по принципу изменения проводимости канала между электродами под воздействием внешнего тока (I) или напряжения (U).

Основные функции включают:

Точный анализ свойств определяют надёжность работы электроники. Недостоверное значение может привести к выходу устройства из строя или к его ненадлежащей работе.

Транзисторы тестируют следующими инструментами:

Определение параметров — это основополагающее направление в разработке и исследовании электронных устройств. Понимание основных характеристик и принципиальной схемотехники позволяет более точно оценивать их производительность и надёжность. В следующем разделе рассмотрены три основных измеряемых характеристики.

Параметрические показатели играют ключевую роль в корректной работе и оптимизации схем.

Биполярные:

Полевые:

Работа биполярного транзистора основана на изменении проводимости между электродами под воздействием тока. Базовый Iб вызывает рекомбинацию электронов и дырок, что продуцирует коллекторный Iк.

В полевых транзисторах управляющее напряжение, прикладываемое к затвору, воздействует на электростатическое поле, обеспечивая изменение проводимости канала.

Главное отличие полевых от биполярных компонентов в том, что они управляются напряжением. Отсюда следующие преимущества:

Заметным недостатком считается уязвимость к статическому электричеству. Поэтому требуется дополнительная защита.

В качестве примера рассмотрим однокаскадный усилитель на БТ, включённым по схеме ОЭ с фиксированным током базы.

Символ * на схемах означает дополнительный подбор номинала при настройке узла с учётом характеристики конкретного образца.

Рассчитаем параметры схемы. Наша задача: установить каскад в рабочую точку:

Внутри отрезка [BC] зависимость выходного сигнала от входного линейная. Точка A называется рабочей точкой, и характеризует среднее сигнальное значение.

Для подобного исследования лучше использовать дешёвый маломощный БТ. Выбираем КТ503Е (нашёл в загашнике, как раз то, что нужно). Импортный аналог BC639. Его данные, необходимые для расчёта:

Выберем коэффициент передачи по I исходя из рекомендуемого геометрического среднего значения (так поступают для серийного производства, для домашних поделок или исследований лучше точно определить измерителем, но об этом позже):

h21e_расч = √(40⋅120)≈70

Далее выбираем I коллектора и U питания источника:

Iк = 5 мА

Uип = 5 В.

Рассчитываем:

Rк = (Uип-Uкэ0) / Iк0 = (5-5/2) / 0,005 = 500 (Ом)

Iб0 = Iк0 / h21e = 0,005/70 = 0,07 (мА)

Rб = (Uип – Uбэ) / Iб0 = (5-0,6) / 0,07 = 62,9 (кОм)

Выбираем номиналы резисторов из стандарта E24 (точность ±5%)

Rк = 510 (Ом)

Rб =62 (кОм)

Проверим работу нашего усилителя на модели. На схеме R1 ⬄ Rб, R2 ⬄ Rк, конденсатор C1 установлен для развязки источника сигнала от каскада по постоянной составляющей. На осциллограммах зелёным цветом выделен входной сигнал в масштабе милливольты, а красным — выходной в масштабе вольты.

Далее соберём наш усилитель на макете.

На макете убедились в правильности проведённого расчёта усилительного каскада.

Технические характеристики, необходимые при определении параметров:

Соблюдение этих нюансов поможет выбрать оборудование, обеспечить высокую точность и надёжность замеров.

Этот измеритель служит для оперативного и относительно простого анализа транзисторных параметров.

Он позволяет оценить ключевые параметры, но имеет свои ограничения. Рассмотрим его возможности и подводные камни.

Основными задачами измерителя являются определение их исправности, определение напряжения смещения и коэффициента усиления. Но нужно помнить, что мультиметр не всегда сможет уловить специфические характеристики высокочастотных VT.

Переключите прибор в режим тестирования .

Подключайте попеременно щупы к выводам диода. В одном положении должен регистрироваться разрыв, в другом – значение напряжения pn-перехода (≈0,3 компонента на германии, ≈0,6 – на кремнии).

Если посмотреть на эквивалентную схему БТ, то видно, что он состоит из двух диодов, включённых встречно, с выводом из точки соединения:

Исходя из этого будем проверять.

Контроль переходов:

В обоих случаях показания должны быть ≈ 0,3 для германиевого типа, ≈ 0,6 – для кремниевого. Кстати сказать, значение на переходе Б-Э является напряжением смещения в цепи базы.

При противоположной установке щупов показания должны свидетельствовать о разрыве цепи.

Важное замечание: составной транзистор. В его корпусе расположены два БТ, соединённых по схеме Дарлингтона для повышения коэффициента усиления:

Это, например, КТ972. При их проверке напряжения тестера может не хватить для открытия двух последовательно соединённых pn-переходов. Кроме того, может сбивать с толку защитный резистор между коллектором и эмиттером.

Для замеров:

ПТ чувствительны к статическому электричеству. Особенно прежних выпусков. Порой достаточно потереться руками об одежду или о причёску, чтобы при касании вывести его из строя. Из-за чего в корпусах мощных полевиков ставят защитные диоды. Поэтому для их исследования я рекомендовал бы пользоваться спецоборудованием, о котором напишу позже. Тем не менее привожу популярный способ экспресс-проверки полевиков.

Протестируем ПТ с изолированным затвором и индуцированным n-каналом. Для наглядности примем условие:

На мультиметре чёрный провод подключён к гнезду COM, красный – к Vꭥ

Проводим подключения по схеме:

1. Красный – Исток, чёрный — Сток: показания ≈ 500 (открытый pn-переход защитного диода).
2. Меняем подключение на противоположное: у нас показывает 1 (разрыв).
3. Открываем ПТ. Для этого кратковременно касаемся красным проводом Затвора с подключённым чёрным на Истоке
4. Красный — Исток, чёрный — Исток и наоборот ≈ 200
5. Закрываем ПТ. Для этого меняем щупы местами и повторяем п. 3.
6. Красный — Исток, чёрный — Сток: ≈ 500, наоборот — 1 (разрыв).

Для проверки ПТ с индуцированным p-каналом нужно красный провод подключить к гнезду COM на мультиметре, а чёрный – к Vꭥ. Далее по перечисленным пунктам.

Нередко советуют для открывания ПТ просто касаться пальцем Затвора. Способ, в общем, рабочий, но перед этим ОБЯЗАТЕЛЬНО НУЖНО КОСНУТЬСЯ ЭТИМ ПАЛЬЦЕМ ИСТОКА ДЛЯ УРАВНИВАНИЯ СТАТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ! Я опять рекомендую НЕ РИСКОВАТЬ!

Чтобы избежать распространённых ошибок и повысить точность измерений, обратите внимание на такие моменты:

Важно: мультиметр — это инструмент первичной проверки. Для точного анализа транзисторных характеристик требуются специализированные тестеры.

Для профессионального диагностирования применяются типизированные тестеры, осциллографы, спектрографы, анализаторы полупроводниковых компонентов, системы автоматизированного тестирования (ATE). Эти аппараты оперативно и точно определяют параметры.

Сравнительный анализ:

Мультиметры годятся для простых проверок VT, например, для определения исправности компонента. Однако для получения большего числа характеристик лучше применять типизированные приборы.

Приходим к выводу: выбор между специализированными тестерами и мультиметрами зависит от поставленных задач, уровня необходимой точности и спектра тестируемых компонентов.

Рассмотрим некий промежуточный вариант транзисторного тестера, содержащего повышенную функциональность типизированных приборов с бюджетной доступностью и лёгкостью использования.

Компактный типоразмер с расширенным функционалом сделал этот аппарат популярным среди радиолюбителей и профессионалов. Ему подвластны резисторы, конденсаторы, индуктивности, полупроводниковые элементы от диодов и стабилитронов до биполярных и полевых VT. Он измеряет постоянное напряжение, частоту колебаний, а также генерирует прямоугольные импульсы и управляемый ШИМ-сигнал. Продуманное питание от внешнего источника от 7 до 12 Вольт через стандартный разъём или специальные контактные площадки на плате.

Но его изюминкой, по мнению обладателей, является автоматическое определение элемента и его параметров. Современные комплектующие ввиду миниатюрности бывает трудно идентифицировать, особенно с формфактором для поверхностного монтажа (smd). В этом случае этот тестер незаменим. Он определит вид элемента — диод, биполярник или полевик, тип перехода и даже расположение выводов.

Следующий тестер со встроенным осциллографом, который удачно дополняет функциональность прибора визуализацией исследуемых сигналов, и генератором синусоидального, прямоугольного, импульсного, треугольного и пилообразного колебаний. Ещё одна «плюшка» — встроенный аккумулятор прибавляет к общей мобильности восклицательный знак!

Напоследок упомяну аппарат, необходимость в котором для массового потребителя была сомнительной даже в транзисторную эпоху — характериограф. А, ну да, сейчас принято всё называть «гаджетами» и «девайсами», тогда curve tracer. Это анализатор транзисторных характеристик.

Его используют для глубинных исследований полупроводников. Его место в НИИ, в крупных лабораториях, где, например, изучают причины отказов на стратегических объектах, а также при создании космической и сложной измерительной техники.

На контроле производственной линии малого предприятия забраковано изделие с недопустимым уровнем выходного сигнала. В лаборатории обнаружили заниженный коэффициент усиления входного каскада на БТ.

Показатель для замены:

После замены показатели изделия вошли в норму.

В мастерскую поступил аппарат с отсутствием выходного сигнала. В ходе проверки был обнаружен БТ с пробитым переходом Э-К:

Аппарат восстановлен заменой БТ на исправный

У прибора с аналогичной проблемой на этот раз выявлено разрушение перехода Б-К:

Работоспособность восстановлена — заменён БТ.

В исследовательской лаборатории созданное оборудование не удовлетворяло поставленной задаче: выходной сигнал был с недопустимыми искажениями:

Анализ схемы показал ошибку в расчёте сопротивления в цепи базы БТ входного каскада, оно оказалось слишком большим для данного типа транзистора. После замены резистора на требуемый оборудование допущено к исследовательской работе:

Кстати сказать, попутно там было изучено влияние заниженного сопротивления на работу прибора:

Описание: БТ имеют три вывода: эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Ошибки в подключении приводят к неверным результатам, как, например, получение неправдоподобных значений hбэ.

Как избежать: проверяйте даташит компонента перед тестированием, чтобы убедиться, что вы знаете назначение каждого вывода. Используйте специальные тестеры, которые ограничивают возможность неправильного подключения.

Как избежать: применяйте токоограничительные резисторы, а также проводите предварительные расчёты.

Как избежать: проводите тестирование при стандартных условиях (обычно 25 °C) и учитывайте температурные коэффициенты, указанные в даташите.

Описание: ток утечки (Iко) может быть значительным в некоторых случаях. Его неучёт приводит к неправильным выводам о состоянии БТ.

Как избежать: измеряйте Iко и учитывайте его в анализе. Это может быть особенно важно в переключающих схемах.

Как избежать: используйте специализированные тестеры, чтобы точно определить значение Uз.

Как избежать: ознакомьтесь с даташитом и придерживайтесь заданных пределов U затвора. Используйте ограничительные цепи.

Как избежать: всегда используйте предохранители или ограничительные резисторы в тестовых условиях.

Как избежать: перед тестированием внимательно проверяйте подключения и настройки тестеров, особенно если они многофункциональные.

Как определить расположение выводов VT?

Распиновку можно найти в справочниках по полупроводниковым приборам, например, в таком.

Как понять, где какие выводы на БТ, если стёрто обозначение на корпусе?

Здесь надо вспомнить его эквивалентную схему, состоящую из двух диодов. Установить переключатель мультиметра в положение и поочерёдно касаться двух соседних электродов. Нужно найти вывод, относительно которого два других покажут сопротивление, отличное от ноля. Это есть база. Если на ней чёрный провод (от гнезда COM), то это pnp-транзистор, если красный – npn. Конструктивно площадь коллектора больше эмиттерной поэтому, сопротивление Б-К будет немного меньше, чем Б-Э.

Почему в статье на осциллограмме у выходного сигнала усилительного каскада фаза противоположна входному?

В схеме ОЭ коллекторный ток, управляемый сигналом на базе, вызывает падение напряжения на резисторе в цепи коллектора, которое ВЫЧИТАЕТСЯ из U питающего. Таким образом происходит инверсия.

На всех недавно купленных КТ972А маленькие h21э. Измерял тестером GM328A. Нужно вернуть в магазин?

Значения усиления составных БТ у тестера GM328A неверны, и сильно занижены. Проверьте другими приборами.

Почему у КТ972А значения сопротивления база-коллектор, и база-эмиттер на мультиметре сильно отличаются?

В КТ972А измеряется один коллекторный pn-переход и два последовательно соединённых эмиттерных (составной транзистор).

Попытался поднять усиление каскада СОЭ изменением номинала резистора в цепи эмиттера (ku=Rк/Rэ), на выходе получил обрезанный сигнал. Что не так?

Это привело к изменению напряжения Uэб, сместилась Рабочая Точка. Нужно изменить номиналы резисторов делителя (см. расчёт каскада ОЭ).

В справочнике указана верхняя частота выбранного БТ 270 МГц, а на 100 МГц усиления уже нет.

В схеме ОЭ граничная частота определяется делением справочного значения на коэффициент передачи h21э

Собрал усилительный каскад на макетке. Подаю синусоиду от генератора. Не могу получить сигнал без искажений. Схему рассчитывал по справочнику, исправность элементов проверял.

Вероятно, слишком большой входной сигнал. Нужно установить перед разделительным конденсатором резистор от 1 до 100 кОм (подобрать).

В усилительном каскаде заменил сгоревший БТ на проверенный исправный. Выходной сигнал искажён.

Нужно установить Рабочую Точку нового БТ на линейный участок. Если это схема с фиксированным током базы, регулируется Rк-б.