一种快速测量晶体管共射极直流放大倍数（HFE）的方法

顾汉玉，黎富华，刘慧琳（华润赛美科微电子（深圳）有限公司，广东深圳，518116）



一种快速测量晶体管共射极直流放大倍数（HFE）的方法

顾汉玉，黎富华，刘慧琳
（华润赛美科微电子（深圳）有限公司，广东深圳，518116）

摘要：晶体管是一种常用的半导体分立器件，共射极直流放大倍数（HFE）是其重要的一个参数，定义为指定集电极和发射极之间的电压（Uce）下、指定集电极电流（Ic）时和基极电流（Ib）的比值。晶体管是电流控制型器件，为达到指定Ic，在测量时通常采用扫描法：逐步增加Ib，测量Ic的值，当到达指定值时停止扫描，计算比值。这种方法效率很低，本文介绍了一种快速测试的方法，借助ATE上参数测量单元（PMU）的加流功能，一次就可以快速测量出放大倍数。

关键词：双极型晶体管（BJT）；共射极放大倍数（HFE）；自动测试设备（ATE）；参数测量单元（PMU）；开尔文测试（Kelvin test）中图分类号： TN4

文献标识码：A

1 晶体管直流放大倍数（HFE）的定义

晶体管有两大类：双极型晶体管（BJT： bipolar junction transistor）和场效应晶体管（FET：field-effect transistor），本文讨论是双极型晶体管（文中统一简称晶体管）。根据输入输出结构的不同，晶体管基本放大电路有三种接法：共发射极、共集电极和共基极接法；其中，共发射极放大电路既可以放大电压，也可以放大电流，是晶体管放大电路中应用最广泛的连接方式，所以本文讨论共射极接法电路。图1是共发射极特性曲线测试电路，输出特性曲线是以Ib为参变量，Ic与Uce间的关系曲线，即Ic=f（Uce）|ib=常数，典型的特性输出曲线如图2所示。

图1 共发射极特性曲线测试电路

在放大区，基极电流Ib对集电极电流Ic有很强的控制作用，即Ib有很小的变化量ΔIb时，Ic就会有很大的变化量ΔIc。为此，用共发射极交流电流放大倍数来表示这种控制能力，定义为：

β= ΔIc/ΔIb|Uce=常数

由于读取电流的变化量比较困难，基于方便的原因，实际使用更多地采用直流放大倍数（HFE）来测量，直流放大倍数的定义是：

HFE= Ic/Ib |Uce=常数

通常情况下，直流放大倍数和交流放大倍数很接近。实际使用都习惯用直流放大倍数（HFE）。

2 晶体管特性测试仪

为了测试和分析晶体管的特性，人们开发了晶体管特性测试仪。图3是设备的内部原理图，测量方法是在基极上施加阶梯电流，同时在CE间施加锯齿波电压，图4是相关波形；利用晶体管图示仪，可以得到图2中的特性曲线，从而计算出放大倍数。图示仪具有直观、全面的优点，对工程分析非常有效，但不适合批量生产。

图2 共射输出特性曲线

图3 晶体管特性测试仪原理框图

图4 晶体管特性测试仪扫描波形

3 自动测量设备（ATE）

自动测试设备（ATE，Automatic Test Equipment）是一种由高性能计算机控制的测试仪器的集合体，是由测试仪和计算机组合而成的测试系统，计算机通过运行测试程序的指令来控制测试硬件。测试系统最基本的要求是可以快速且可靠地重复一致的测试结果，即速度、可靠性和稳定性。广泛用于各类半导体器件的批量生产。根据测试的半导体器件类型，ATE可以分为分立器件测试仪、模拟集成电路电路测试仪、数字电路测试仪和混合电路测试。用于分立器件测试的ATE主要由PMU和继电器（RELAY）控制构成，以下重点介绍PMU。

PMU（Precision Measurement Unit）全称是精密测量单元，有些资料称V/I源（电压/电流源），是自动测试设备ATE （Automatic Test equipment）的重要组成部分，它能够施加电压或电流，并依据PMU所连接的被测单元（简称DUT，Device under test）同时测量所得到的电压或电流，图5是典型PMU的内部框图。

PMU有两种基本工作模式：施加电压测电流（加压测流）和施加电流测电压（加流测压）。在加压测流模式下，可以把PMU看作一个电压源，不仅可以设定输出电压，还可以设定限制电流（以保护测试器件）；在加流模式下，可以把PMU当成一个电流源，可以设定输出电流，同时可以设置限制（保护）电压。

为了提升PMU驱动电压的精确度，常使用4条线路的结构（称为开尔文结构）。开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线F（Force）和一条检测线S（Sense），二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求S 线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S 的电流极小，近似为零。图6 中r 表示引线电阻。由于流过测试回路的电流为零，在 r3、r4 上的压降也为零，而激励电流i在r1、r2 上的压降不影响i 在被测电阻上的压降，所以电压表可以准确测出 Rt两端的电压值，从而准确测量出R t 的阻值。测试结果和r 无关，有效地减小了测量误差。按照作用和电位的高低，这四条线分别被称为高电位施加线（HF）、低电位施加线（LF）、高电位检测线（HS）和低电位检测线（LS）。

图6 开尔文测试原理

PMU的接地方式有共地和浮动两种，分别称为非浮动源（共地源）和浮动源。在非浮动源的ATE中，所有PMU的地线 AGND都是连在一起的，但地检测线DGS是独立的；在浮动源的ATE中，没有传统意义上的地线，只有高端（H）和低端（L），如果要实现共地，需要把低端连在一起。两种PMU都可以实现开尔文测试，图7是两种情况下的连接示意图。非浮动V/I源与浮动V/I源的差别在于非浮动V/I源没有FORCE L 和SENSE L，但其AGND和DGS （DEVICE GROUND SENSE）所起的作用是完全相同的，只是在系统中多路V/I源共用了同一组AGND和DGS而已。因此从四线开尔文测试的角度上来说非浮动V/I源与浮动V/I源没有本质的区别，可以同样达到精确驱动和测试的效果。

4 ATE 常规测试原理及优化

图8是ATE测试晶体管HFE的连接示意图。类似晶体管特性仪的测试原理，常规的测试方法是采用扫描法（图9是扫描法的流程图），设定初值I0和步长Is，逐步加大Ib，同时测量Ic的数值，当Ic达到指定的数值时停止扫描，计算HFE的数值。扫描的次数和初值I0、步长Is的设置有关，通常需要20次左右。

图7 非浮动源四线开尔文测试示意图 浮动源四线开尔文测试示意图

为了节省扫描的时间，可以采用二分法优化（图10是二分法的流程图），即设定一个下限L、一个上限H和上限H和下限L的最小差值mini_diff；设置Ib＝（L+H）/2， 同时测量Ic的数值，若Ic小于指定值则L＝（L+H）/2，若Ic大于或等于指定值则H＝（L+H）/2，此时再将（L+H）/2的值给Ib，测试Ic，不断循环测试，直到H和L的差值小于设定值mini_diff才停止循环，这样可以将扫描次数减到10次左右。

图8 ATE测试晶体管HFE的连接示意图

图10 二分法测试流程图

图9 扫描法测试流程图

5 一次性测试原理

扫描法不仅速度慢，还需要进行复杂的参数设置，操作很繁琐，为此，本文提出了一次性测试的方案。图11为原理示意图。用PMU1在CE两端加指定电压Uce且保证CE两端电压恒定， PMU2 从E端引出指定电流Ie， PMU3在B端加电压然后测量电流Ib，计算HFE＝Ie/Ib。（Ie=Ib+Ic，通常情况下，Ic远大于Ib，可以认为Ie=Ic，下同）

图11 一次性测试原理示意图

从上面原理可以看出，要实现一性测试，PMU1要有保证CE两端电压为指定电压的功能，对于采用浮动源PMU的测试机很容易满足这要求，图12是测试示意图，浮动源PMU1在CE两端加指定电压Uce，浮动源PMU2在E端拉电源Ie，浮动源PMU3在B端加电压测量电流Ib，计算HFE＝Ie/Ib。

对于采用共地源PMU的测试机，要实现一次性测试需要增加一些辅助电路。图13为原理示意图，三个运算放大器组成了高阻抗的差分电路，将CE端电压反馈到PMU1的SENSE端，从而保证了CE两端的电压为PMU1设置输出的电压。测试的方法同样是PMU1在CE两端加指定电压Uce且保证CE两端电压恒定， PMU2 从E端引出指定电流Ic， PMU3在B端加电压然后测量电流Ib，计算HFE＝Ic/Ib。 图中PMU1的FORCE和SENSE之间加一个电阻，其作用是防止FORCE、SENSE开路时，PMU工作不稳定，极限情况下会出现FORCE端的输出为电源供电电压，这会烧坏被测量的芯片。现在很多ATE在设计时会在PMU内部增加反馈环节，防止开尔文回路断开导致电路失控。

图12 浮动源测试机一性测试原理示意图

图13 共地源测试机一性测试原理示意图

6 测试数据分析

基于上述原理，我们进行了相关实验：首先取一颗典型的NPN型小功率三极管S8050，按照测试条件（Vce=1V，Ic=50mA）在经典的分立器件测试仪DTS1000 （日本JUNO公司产品） 上重复测量200次，然后用二分法在SCV66模拟测试仪（ATE，日本shibasoku公司产品）上相同条件测试200次；再在该测试仪上用一次测试法测试200次，用Minitab 软件做图形对比如下：

图14 DTS1000 测试数据分布图

图15 SCV66 二分法测试数据分布图

图16 SCV66 一次法测试数据分布图

表1 三种测试方法数据对比

从表1数据可以看出，三种测试方法的差异很小，均值、标准差都接近，一次法测试的结果和DTS1000测试的均值非常接近。

7 结论

通过实验，我们可以看到，本文提出的测试方案可以显著节省测试时间，同时测试精度也达到了传统常规测试方法的水平，具有推广价值。

参考文献

［1］应用电路分析Applied circuit analysis，［美］Matthew N.O. Sadiku，Sarhan M.Musa，Charles K.Alexander著，机械工业出版社，2103年4月出版

［2］模拟电子技术基础，孙肖子，张企民，西安电子科技大学出版社，2006年12月第9次印刷

［3］电子仪器手册，（美）库姆斯 主编， 科学出版社，2006年出版

［4］低导通电阻MOSFET测试中的自动校验技术，顾汉玉，微型机与应用2013年5期

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

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

［7］JUNO.有限会社.JUNO－DTS1000系统［M］.分立器件测试，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

作者简介

顾汉玉，男，1968年生，本科，西安交通大学半导体物理与器件专业，高级工程师，长期从事半导体设备的维护改造、集成电路测试及应用。