顧漢玉，黎富華，劉慧琳（華潤(rùn)賽美科微電子（深圳）有限公司，廣東深圳，518116）

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一種快速測(cè)量晶體管共射極直流放大倍數(shù)（HFE）的方法

顧漢玉，黎富華，劉慧琳
（華潤(rùn)賽美科微電子（深圳）有限公司，廣東深圳，518116）

摘要：晶體管是一種常用的半導(dǎo)體分立器件，共射極直流放大倍數(shù)（HFE）是其重要的一個(gè)參數(shù)，定義為指定集電極和發(fā)射極之間的電壓（Uce）下、指定集電極電流（Ic）時(shí)和基極電流（Ib）的比值。晶體管是電流控制型器件，為達(dá)到指定Ic，在測(cè)量時(shí)通常采用掃描法：逐步增加Ib，測(cè)量Ic的值，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定值時(shí)停止掃描，計(jì)算比值。這種方法效率很低，本文介紹了一種快速測(cè)試的方法，借助ATE上參數(shù)測(cè)量單元（PMU）的加流功能，一次就可以快速測(cè)量出放大倍數(shù)。

關(guān)鍵詞：雙極型晶體管（BJT）；共射極放大倍數(shù)（HFE）；自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）；參數(shù)測(cè)量單元（PMU）；開爾文測(cè)試（Kelvin test）中圖分類號(hào)： TN4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 晶體管直流放大倍數(shù)（HFE）的定義

晶體管有兩大類：雙極型晶體管（BJT： bipolar junction transistor）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET：field-effect transistor），本文討論是雙極型晶體管（文中統(tǒng)一簡(jiǎn)稱晶體管）。根據(jù)輸入輸出結(jié)構(gòu)的不同，晶體管基本放大電路有三種接法：共發(fā)射極、共集電極和共基極接法；其中，共發(fā)射極放大電路既可以放大電壓，也可以放大電流，是晶體管放大電路中應(yīng)用最廣泛的連接方式，所以本文討論共射極接法電路。圖1是共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路，輸出特性曲線是以Ib為參變量，Ic與Uce間的關(guān)系曲線，即Ic=f（Uce）|ib=常數(shù)，典型的特性輸出曲線如圖2所示。

圖1 共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路

在放大區(qū)，基極電流Ib對(duì)集電極電流Ic有很強(qiáng)的控制作用，即Ib有很小的變化量ΔIb時(shí)，Ic就會(huì)有很大的變化量ΔIc。為此，用共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)來表示這種控制能力，定義為：

β= ΔIc/ΔIb|Uce=常數(shù)

由于讀取電流的變化量比較困難，基于方便的原因，實(shí)際使用更多地采用直流放大倍數(shù)（HFE）來測(cè)量，直流放大倍數(shù)的定義是：

HFE= Ic/Ib |Uce=常數(shù)

通常情況下，直流放大倍數(shù)和交流放大倍數(shù)很接近。實(shí)際使用都習(xí)慣用直流放大倍數(shù)（HFE）。

2 晶體管特性測(cè)試儀

為了測(cè)試和分析晶體管的特性，人們開發(fā)了晶體管特性測(cè)試儀。圖3是設(shè)備的內(nèi)部原理圖，測(cè)量方法是在基極上施加階梯電流，同時(shí)在CE間施加鋸齒波電壓，圖4是相關(guān)波形；利用晶體管圖示儀，可以得到圖2中的特性曲線，從而計(jì)算出放大倍數(shù)。圖示儀具有直觀、全面的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工程分析非常有效，但不適合批量生產(chǎn)。

圖2 共射輸出特性曲線

圖3 晶體管特性測(cè)試儀原理框圖

圖4 晶體管特性測(cè)試儀掃描波形

3 自動(dòng)測(cè)量設(shè)備（ATE）

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE，Automatic Test Equipment）是一種由高性能計(jì)算機(jī)控制的測(cè)試儀器的集合體，是由測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)組合而成的測(cè)試系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過運(yùn)行測(cè)試程序的指令來控制測(cè)試硬件。測(cè)試系統(tǒng)最基本的要求是可以快速且可靠地重復(fù)一致的測(cè)試結(jié)果，即速度、可靠性和穩(wěn)定性。廣泛用于各類半導(dǎo)體器件的批量生產(chǎn)。根據(jù)測(cè)試的半導(dǎo)體器件類型，ATE可以分為分立器件測(cè)試儀、模擬集成電路電路測(cè)試儀、數(shù)字電路測(cè)試儀和混合電路測(cè)試。用于分立器件測(cè)試的ATE主要由PMU和繼電器（RELAY）控制構(gòu)成，以下重點(diǎn)介紹PMU。

PMU（Precision Measurement Unit）全稱是精密測(cè)量單元，有些資料稱V/I源（電壓/電流源），是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備ATE （Automatic Test equipment）的重要組成部分，它能夠施加電壓或電流，并依據(jù)PMU所連接的被測(cè)單元（簡(jiǎn)稱DUT，Device under test）同時(shí)測(cè)量所得到的電壓或電流，圖5是典型PMU的內(nèi)部框圖。

PMU有兩種基本工作模式：施加電壓測(cè)電流（加壓測(cè)流）和施加電流測(cè)電壓（加流測(cè)壓）。在加壓測(cè)流模式下，可以把PMU看作一個(gè)電壓源，不僅可以設(shè)定輸出電壓，還可以設(shè)定限制電流（以保護(hù)測(cè)試器件）；在加流模式下，可以把PMU當(dāng)成一個(gè)電流源，可以設(shè)定輸出電流，同時(shí)可以設(shè)置限制（保護(hù)）電壓。

為了提升PMU驅(qū)動(dòng)電壓的精確度，常使用4條線路的結(jié)構(gòu)（稱為開爾文結(jié)構(gòu)）。開爾文連接有兩個(gè)要求：對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線F（Force）和一條檢測(cè)線S（Sense），二者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；同時(shí)要求S 線必須接到一個(gè)有極高輸入阻抗的測(cè)試回路上，使流過檢測(cè)線S 的電流極小，近似為零。圖6 中r 表示引線電阻。由于流過測(cè)試回路的電流為零，在 r3、r4 上的壓降也為零，而激勵(lì)電流i在r1、r2 上的壓降不影響i 在被測(cè)電阻上的壓降，所以電壓表可以準(zhǔn)確測(cè)出 Rt兩端的電壓值，從而準(zhǔn)確測(cè)量出R t 的阻值。測(cè)試結(jié)果和r 無關(guān)，有效地減小了測(cè)量誤差。按照作用和電位的高低，這四條線分別被稱為高電位施加線（HF）、低電位施加線（LF）、高電位檢測(cè)線（HS）和低電位檢測(cè)線（LS）。

圖6 開爾文測(cè)試原理

PMU的接地方式有共地和浮動(dòng)兩種，分別稱為非浮動(dòng)源（共地源）和浮動(dòng)源。在非浮動(dòng)源的ATE中，所有PMU的地線 AGND都是連在一起的，但地檢測(cè)線DGS是獨(dú)立的；在浮動(dòng)源的ATE中，沒有傳統(tǒng)意義上的地線，只有高端（H）和低端（L），如果要實(shí)現(xiàn)共地，需要把低端連在一起。兩種PMU都可以實(shí)現(xiàn)開爾文測(cè)試，圖7是兩種情況下的連接示意圖。非浮動(dòng)V/I源與浮動(dòng)V/I源的差別在于非浮動(dòng)V/I源沒有FORCE L 和SENSE L，但其AGND和DGS （DEVICE GROUND SENSE）所起的作用是完全相同的，只是在系統(tǒng)中多路V/I源共用了同一組AGND和DGS而已。因此從四線開爾文測(cè)試的角度上來說非浮動(dòng)V/I源與浮動(dòng)V/I源沒有本質(zhì)的區(qū)別，可以同樣達(dá)到精確驅(qū)動(dòng)和測(cè)試的效果。

4 ATE 常規(guī)測(cè)試原理及優(yōu)化

圖8是ATE測(cè)試晶體管HFE的連接示意圖。類似晶體管特性儀的測(cè)試原理，常規(guī)的測(cè)試方法是采用掃描法（圖9是掃描法的流程圖），設(shè)定初值I0和步長(zhǎng)Is，逐步加大Ib，同時(shí)測(cè)量Ic的數(shù)值，當(dāng)Ic達(dá)到指定的數(shù)值時(shí)停止掃描，計(jì)算HFE的數(shù)值。掃描的次數(shù)和初值I0、步長(zhǎng)Is的設(shè)置有關(guān)，通常需要20次左右。

圖7 非浮動(dòng)源四線開爾文測(cè)試示意圖 浮動(dòng)源四線開爾文測(cè)試示意圖

為了節(jié)省掃描的時(shí)間，可以采用二分法優(yōu)化（圖10是二分法的流程圖），即設(shè)定一個(gè)下限L、一個(gè)上限H和上限H和下限L的最小差值mini_diff；設(shè)置Ib＝（L+H）/2， 同時(shí)測(cè)量Ic的數(shù)值，若Ic小于指定值則L＝（L+H）/2，若Ic大于或等于指定值則H＝（L+H）/2，此時(shí)再將（L+H）/2的值給Ib，測(cè)試Ic，不斷循環(huán)測(cè)試，直到H和L的差值小于設(shè)定值mini_diff才停止循環(huán)，這樣可以將掃描次數(shù)減到10次左右。

圖8 ATE測(cè)試晶體管HFE的連接示意圖

圖10 二分法測(cè)試流程圖

圖9 掃描法測(cè)試流程圖

5 一次性測(cè)試原理

掃描法不僅速度慢，還需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，操作很繁瑣，為此，本文提出了一次性測(cè)試的方案。圖11為原理示意圖。用PMU1在CE兩端加指定電壓Uce且保證CE兩端電壓恒定， PMU2 從E端引出指定電流Ie， PMU3在B端加電壓然后測(cè)量電流Ib，計(jì)算HFE＝Ie/Ib。（Ie=Ib+Ic，通常情況下，Ic遠(yuǎn)大于Ib，可以認(rèn)為Ie=Ic，下同）

圖11 一次性測(cè)試原理示意圖

從上面原理可以看出，要實(shí)現(xiàn)一性測(cè)試，PMU1要有保證CE兩端電壓為指定電壓的功能，對(duì)于采用浮動(dòng)源PMU的測(cè)試機(jī)很容易滿足這要求，圖12是測(cè)試示意圖，浮動(dòng)源PMU1在CE兩端加指定電壓Uce，浮動(dòng)源PMU2在E端拉電源Ie，浮動(dòng)源PMU3在B端加電壓測(cè)量電流Ib，計(jì)算HFE＝Ie/Ib。

對(duì)于采用共地源PMU的測(cè)試機(jī)，要實(shí)現(xiàn)一次性測(cè)試需要增加一些輔助電路。圖13為原理示意圖，三個(gè)運(yùn)算放大器組成了高阻抗的差分電路，將CE端電壓反饋到PMU1的SENSE端，從而保證了CE兩端的電壓為PMU1設(shè)置輸出的電壓。測(cè)試的方法同樣是PMU1在CE兩端加指定電壓Uce且保證CE兩端電壓恒定， PMU2 從E端引出指定電流Ic， PMU3在B端加電壓然后測(cè)量電流Ib，計(jì)算HFE＝Ic/Ib。 圖中PMU1的FORCE和SENSE之間加一個(gè)電阻，其作用是防止FORCE、SENSE開路時(shí)，PMU工作不穩(wěn)定，極限情況下會(huì)出現(xiàn)FORCE端的輸出為電源供電電壓，這會(huì)燒壞被測(cè)量的芯片。現(xiàn)在很多ATE在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在PMU內(nèi)部增加反饋環(huán)節(jié)，防止開爾文回路斷開導(dǎo)致電路失控。

圖12 浮動(dòng)源測(cè)試機(jī)一性測(cè)試原理示意圖

圖13 共地源測(cè)試機(jī)一性測(cè)試原理示意圖

6 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

基于上述原理，我們進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)：首先取一顆典型的NPN型小功率三極管S8050，按照測(cè)試條件（Vce=1V，Ic=50mA）在經(jīng)典的分立器件測(cè)試儀DTS1000 （日本JUNO公司產(chǎn)品） 上重復(fù)測(cè)量200次，然后用二分法在SCV66模擬測(cè)試儀（ATE，日本shibasoku公司產(chǎn)品）上相同條件測(cè)試200次；再在該測(cè)試儀上用一次測(cè)試法測(cè)試200次，用Minitab 軟件做圖形對(duì)比如下：

圖14 DTS1000 測(cè)試數(shù)據(jù)分布圖

圖15 SCV66 二分法測(cè)試數(shù)據(jù)分布圖

圖16 SCV66 一次法測(cè)試數(shù)據(jù)分布圖

表1 三種測(cè)試方法數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1數(shù)據(jù)可以看出，三種測(cè)試方法的差異很小，均值、標(biāo)準(zhǔn)差都接近，一次法測(cè)試的結(jié)果和DTS1000測(cè)試的均值非常接近。

7 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)，我們可以看到，本文提出的測(cè)試方案可以顯著節(jié)省測(cè)試時(shí)間，同時(shí)測(cè)試精度也達(dá)到了傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)試方法的水平，具有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］應(yīng)用電路分析Applied circuit analysis，［美］Matthew N.O. Sadiku，Sarhan M.Musa，Charles K.Alexander著，機(jī)械工業(yè)出版社，2103年4月出版

［2］模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，孫肖子，張企民，西安電子科技大學(xué)出版社，2006年12月第9次印刷

［3］電子儀器手冊(cè)，（美）庫(kù)姆斯 主編， 科學(xué)出版社，2006年出版

［4］低導(dǎo)通電阻MOSFET測(cè)試中的自動(dòng)校驗(yàn)技術(shù)，顧漢玉，微型機(jī)與應(yīng)用2013年5期

［5］STS8200應(yīng)用文集，AccoTest Business Unit of Beijing Huafeng Test & Control Technology Co.，Ltd

［6］百度文庫(kù)，S8050 datasheet， http︰//wenku.baidu.com/ link？url=aYfFOkA8pRft_wCWmLTmKR35u0LB4EuPCSE MD5j1cP3CIrZ5wZ9mAy2GIMp7n5bMbqhAnGQGQJXx 7VRkAyKQH0Q69nr7Stig0nsyKHEKfee

［7］JUNO.有限會(huì)社.JUNO－DTS1000系統(tǒng)［M］.分立器件測(cè)試，1999

［8］SCV66 series Test system manual， Shibasoku Co.，Ltd，2012

A rapid measuring method for BJT DC current gain

Gu Hanyu，Li Fuhua，Liu huilin
（China Resources Semicon Microelectronics（Shen Zhen） Co.，Ltd，Shen Zhen，Guang Dong，518116 China）

Abstract：BJT（bipolar junction transistor）is a commonly used semiconductor discrete device，and the commom-emitter current gain is one of the important parameters，which is defined as the ratio of the specified collector current（Ic）and the base current（Ib）under the specified voltage between the collector and emitter. The characteristic of BJT is that Ib controls Ic，and scanning method is usually applied for this measurement in order to achieve the specified Ic：gradually increase Ib until Ic reaching the specified value，then calculate the ratio.This method is inefficient，this paper introduces a quick measuring method，which can quickly measure the commom-emitter current gain by using the adding-current function of PMU （parameter measure unit） on the ATE （automatic test equipment） .

Keywords：BJT；HFE；ATE；PMU；Kelvin Test

作者簡(jiǎn)介

顧漢玉，男，1968年生，本科，西安交通大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體設(shè)備的維護(hù)改造、集成電路測(cè)試及應(yīng)用。