实验2    二极管、三极管的测试

 

一、实验目的

1. 学会用万用表判别二极管、三极管。

2. 学会用晶体管特性图示仪测试二极管、三极管的特性及有关参数。

二、实验原理

1. 万用表的等效电路

用指针式万用表测试二极管和三极管时，都是使用万用 表的电阻档。万用表电阻档的等效电路如图 1.2.1 所示。其中，Ｅ0 为表内电源电动势。当万用表置于 R×1、R×100 、

R×1 K 各档时，Ｅ0 = 1.5 V ；置于 R×10 K 档时，Ｅ0 = 9 V。Ｒ0 为等效电阻，其值随着所选档位的不同而不同，档位越高，等效电阻值越大。一般在对二极管、三极管进行测试时，选用 R×1 K 档。这是因为该档的Ｅ0 较低而Ｒ0 较高，不易损坏管子。特别需要注意的是不能选用 R×10 K 档，因为该档的电池电压Ｅ0 较高，容易损坏管子。特别需要注意的是，万用表的黑表笔 (插在万用表的“－”插孔) 接的是万用表电源的正极，为高电位端；红表笔为低电位端。

2. 用万用表判别二极管

(1) 判别极性

由图 1.2.1 所示的万用表等效电路可知，当万用表的黑表笔接二极管的正极而红表笔接二极管的负极时，二极管正向偏置，呈现低电阻，表头指针偏转角度大，这时万用表显示的的电阻为二极管的“正向电阻”。反之，表头指针偏转角度小，这时测得的电阻为二极管的“反向电阻”。这样就可以根据两次测量时表头指针偏转角度的大小即电阻值的大小判断出二极管的极性。例如：两次测量中，指针偏转角度大 (电阻值小) 的一次，万用表黑表笔接的就是二极管的正极，另一极则为二极管的负极。

(2) 判别性能

用第(1) 步的方法对二极管的正、反向电阻分别进行测量。根据测量的正、反向电阻值，即可大概判断出该二极管性能的优劣。对于正常的二极管，其正向电阻约为几千欧，反向电阻为几百千欧 (一般应大于 200 千欧)。在测试中，若发现反向电阻太小，则说明该二极管的反向漏电流大，二极管会失去单向导电作用。若正、反向电阻均为零，说明该二极管内部短路。若正、反向电阻均为无穷大，说明该二极管已经断路，一般二极管的损坏多数属于这种情况。

3. 用万用表判别三极管

(1) 管型和基极的判别

根据三极管的结构，可将它看作两个背向联结的二极管。如图 1.2.2 ( a ) 、( b ) 所示。

根据图 1.2.2 可知，当我们将万用表的红表笔接在 NPN 型晶体管的基极 b，而用黑表笔分别去接该管的集电极 c  和发射极 e  时，两个二极管都反偏，万用表指针偏转角度都很小。也就是说两次测得的电阻都很大。当我们用同样的方法去测 PNP 型晶体管时，两次测得的电阻都很小。根据上述原理，可采用如下方法判别三极管的管型（NPN 型或 PNP 型）和管子的基极：用万用表的红表笔接晶体管的某一极，黑表笔分别去接其它两个极时，若两次测得的电阻都很小或者都很大时，可以确定红表笔接的就是管子的基极 b ；若两次测得的电阻均很小，则该管子为 PNP 型；若两次测得的电阻均很大，则该管子为 NPN 型；若两次测得的电阻一大一小，则不能进行这种判别。这时，应将红表笔换接一个极再测试。直到两次测得的电阻都很大或很小时，方能依照上述方法进行判断。

(2) 集电极和发射极的判别

若已经确定了管子的类型和基极 b ，则可用下面方法确定管子的集电极 c 和发射极  e：

对 NPN 型的管子，将万用表置于 R×1 K 档，两个表笔分别与除基极以外的其它两个管脚交替相接，并用手捏住黑表笔与基极 ( 但黑表笔与基极不能相碰 ) ，观察万用表指针的文本框:

偏转情况。再将两个表笔交换，同样用手捏住黑表笔与基极，观察指针的偏转。在两次测量中，对应于指针偏转较大的一次，说明这时万用表表笔加给管子的电压使管子的发射结处于正偏，集电极处于反偏。故此时黑表笔接的是管子的集电极 c ，红表笔接的是发射极 e 。

对 PNP 型管子，采用上述方法测试时，应用手捏住基极和万用表的红表笔，同时观察万用表指针的偏转情况。对应于指针偏转较大的一次，红表笔接的是集电极 c ，黑表笔接的是发射极  e  。

在上述测量过程中，用手捏住基极和某个表笔，实际上是在该表笔与管子的基极 b 之间接入了人体电阻，从而给管子的三个电极之间加上了一定的电压，使两个结处于一定的偏置状态。

4. 晶体管特性图示仪的原理及其使用

晶体管特性图示仪（简称“图示仪”）是一种能对晶体管的特性参数进行定量测试的仪器。实验室中常用的图示仪为 JT－1 型晶体管特性图示仪和 XJ 4810 型晶体管特性图示仪。这两种仪器的基本组成框图如图 1.2.3  所示。

为了测试晶体管的性能，首先要给管子加上适当的电压。图中，“集电极扫描电压”部分就是为晶体管集电极设置电压ＶCE 的。而“基极阶梯信号源”则是为晶体管基极设置电压ＶBE 的。如果ＶCE 和ＶBE 是一组固定的电压，那么，就会在图示仪的屏幕上显示出被测晶体管的一条输入特性曲线或输出特性曲线。为了显示晶体管的一簇输入或输出特性曲线并由

此测得晶体管其它交流参数，必须使加在晶体管上的电压ＶCE 和 ＶBE 均为周期性变化的信号。为方便起见，选用如图中所示的 50 Hz 正弦波全波整流电压作为集电极电源  vCE ，而选用如图所示的阶梯波恒流源作为基极电流  iB。当图示仪的“级 / 秒”开关置于“×100 ”位置时，集电极电压  vCE 与基极电流  iB 的对应关系如图 1.2.4 (a) 所示。若将集电极电源加到示波管的 X 偏转板X1 和X  2 上，将晶体管的集电极电流通过取样电阻R f 转换成电压后加到示波管的 Y 偏转板Y1 和Y 2 上，就会在图示仪的屏幕上显示出被测晶体管的特性曲线，如图 1.2.4 (b)所示。当测试 NPN 型晶体管时，vE 和 iB 采用正极性 (图中标“+”) 的信号，当测试 PNP 型晶体管时均采用负极性 (图中标“－”) 的信号。

XJ4810 型晶体管特性图示仪面板上主要旋钮的作用如下：

“电压(V) / 度”开关：它是一个具有 4 种偏转作用共 17 档的开关，用来选择图示仪 X轴所代表的变量及其倍率。在测试小功率晶体管的输出特性曲线时，该旋钮置“VCE”的有关档。测量输入特性曲线时，该旋钮置“VBE”的有关档。

“电流 / 度”开关：它是一个具有 4 种偏转作用共 22 档的开关，用来选择图示仪 Y 轴所代表的变量及其倍率。在测试小功率晶体管的输出特性曲线时，该旋钮置“I C”的有关档。测量输入特性时，该旋钮置“基极电流或基极源电压”档（仪器面板上画有阶梯波形的一档）。

“峰值电压范围”和“峰值电压 %”档：其中，“峰值电压范围”是 5 个档位的按键开关。“峰值电压 %”是连续可调的旋钮。他们的共同作用是用来控制“集电极扫描电压”的大小。不管“峰值电压范围”置于哪一档，都必须在开始时将“峰值电压 %”置于 0 位，然后逐渐小心地增大到一定值。否则容易损坏被测管。一个管子测试完毕后，“峰值电压 %”旋钮应回调至零。

XJ4810 型晶体管特性图示仪的详细工作原理及其使用方法请参阅本书第四部分中的“晶体管特性图示仪及其使用”。

5. 用图示仪测试三极管

(1) 屏幕上光点位置的确定

根据晶体管的输入、输出特性可知，NPN 型管的电压  vCE 和电流 iC 均为正值，相应的特性曲线在第一象限。故测量 NPN 型晶体管前，屏幕上光点应调到屏幕的左下角。同时，基极阶梯信号和集电极扫描电压均选“＋”极性。同理，测量 PNP 型管时，光点应调到屏幕的右上角，基极阶梯信号和集电极扫描电压均应选“－”极性。

(2) 主要旋钮的作用及选择

“功耗电阻”：图示仪中的功耗电阻相当于晶体管放大器中的集电极电阻，它串联在被测晶体管的集电极与集电极扫描电压源之间，用来调节流过晶体管的电流，从而限制被测管的功耗。测试小功率管时，一般选该电阻值为 1 kΩ 。

“基极阶梯信号”：这部分信号是图示仪中所特有的、不同于示波器的部分。通过它给基极加上周期性变化的电流信号。每两级阶梯信号之间的差值大小由“阶梯选择毫安／级”来选择。为方便起见，一般选 10μA ／级。每个周期中阶梯信号的阶梯数由“级／簇”来选择，阶梯信号每簇的级数，实际上就是在图示仪上所能显示的输出特性曲线的根数。阶梯信号每一级的毫安值的大小，就反映了图示仪上所显示的输出特性曲线的疏密程度。

“零电压”、“零电流”：是对被测晶体管基极状态进行设置的开关。当测量管子的击穿电压和穿透电流时，都必须使被测管的基极处于开路状态。这时就可以将该开关设置在“零电流”档 (只有开路时，才能保证电流为零) 。当测量晶体管的击穿电流 ＩCES 时，必须使被测管的基、射极短路，这可以通过将该开关设置在“零电压”档来实现。

下面以 NPN 型三极管为例，说明具体的测试方法：

(3) 测量晶体管共射输出特性曲线及有关参数

将被测的晶体管 (如 3DG6 ) 插入测试台。将屏幕的光点调到屏幕的左下角。根据第 ( 2 ) 部分“主要旋钮的作用及选择”中的原则，将各旋钮置于适当的位置，即可在图示仪的屏幕上显示出如图 1.2.5 所示的晶体管输出特性曲线。根据输出特性曲线，可测试出晶体管的输出电阻  rce、电流放大倍数 β以及穿透电流ＩCEO。

输出电阻  rce 的测试：根据被测晶体管的应用场合，估算出管子的静态工作点电压 ＶCEQ和电流 ＩCQ 的值，在图示仪所显示的输出特性曲线上确定对应的工作点 Q ，并求出特性曲线在 Q 点处的斜率，就是被测晶体管在对应于该工作点处的输出电阻  rce 。具体求法是以对应于 ＩBQ 的那条曲线为斜边作直角三角形，测出两直角边ΔＶCE 和ΔＩC 的值，如图 1.2.5中放大部分（用大圆圈标出） 所示。则  rce 可根据下式求出：

                                   

注意工作点处的直流输出电阻为ＲCE =ＶCEQ /ＩCQ 。它比  rce 小得多。

电流放大倍数 β 的测试：根据电流放大倍数 β 的定义

                                   

可知，为了求得被测晶体管在工作点处的 β 值，可经过 Q 点做横轴的垂线，根据该垂线与 ＩBQ 附近相邻两条特性曲线的交点  ( 如图 1.2.5 中的 A ，B 两点 )  求得工作点附近的 ΔＩB 和 ΔＩC ，二者的比值就是被测晶体管的电流放大倍数 β 。 

注意，工作点处的直流放大倍数为

                                   

穿透电流ＩCE0 是指当被测管的基极开路时，流过管子集电极和发射极的静态电流值。为了实现基极开路，需将图示仪的基极阶梯信号置于“零电流”状态（即按下测试台上的“零电流”按钮）。因为 值一般很小，为 μA 数量级。为了保证测量精度，需将 Y 轴的集电极电流置于小量程档 ( μA 数量级档)。即可显示出被测晶体管在基极开路情况下的一条特性曲线，称为穿透特性曲线。这条特性曲线 实 际 上 就 是 图 1.2.5 中ＩB =０的那一条特性曲线。该曲线水平部分所对应的ＩC   值就是穿透电流ＩCE0 。

(4) 测试共射输入特性

晶体管的共射输入特性是指在  vCE =ＶCEQ 的情况下，基射极电压 vBE 与基极电流  iB 的特性曲线。因此，为了测得 该 曲 线，应 将“ X 轴作用”旋 钮 置 于“VBE”的“ 0.1 V / 度”，“ Y 轴作用”旋钮置于“基极电流或基极源电压”档（即仪器面板上画阶梯信号的一档）。其它旋钮的操作与测试输出特性曲线时基本相同。这样，即可在图示仪的屏幕上显示出被测管的输入特性曲线，如图 1.2.6 所示。当  vCE 大于某一个值 (例如 6 伏) 以后，随着  vCE 的增大输入特性曲线会向右移动。( 如图中虚线所示 ) 。

根据晶体管交流输入电阻的定义 

             

可以从输入特性曲线上估算出被测晶体管的输入电阻 rbe 。具体方法是：根据静态工作点的参数，在图示仪的曲线上确定静态工作点 Q 的位置，求出曲线在该点的斜率，（如图 1.2.6 所示）即 可 求 得 被 测 晶 体管在 Q 点处的  rbe 。

6. 用图示仪测量晶体二极管

(1) 旋钮的选择

晶体二极管的特性曲线也可以在图示仪上进行测试。与晶体三极管不同的是，二极管只有两个电极，因此，测试时应将二极管的阳极和阴极分别插入测试台的 C 和 E 插孔中。

由于二极管伏安特性的 Y 轴是电流 i ，X 轴是电压 v ，所以旋钮“ Y 轴作用”应置于

“ mA /度”档，“ X 轴作用”应置于“ V / 度”档。

与三极管不同之处还在于，二极管的伏安特性分正向特性和反向特性两部分，而这两部分要求的电压极性相反。所以，二极管的正向特性和反向特性要分别进行测量，才能获得如图 1.2.7 所示的完整的伏安特性。而且，在测正向和反向特性时，光点应分别置于屏幕的左下角和右上角。

(2) 正向特性及有关参数的测定

为了测试二极管的正向特性，应使二极管处于正向偏置状态。因此，应将图示仪的集电极扫描电压的“极性”置于“+”，以保证二极管处于正向偏置状态。调节“移位”旋钮使光点位于屏幕的左下角。逐渐增大峰值电压，并调节“ X 轴作用”和“ Y 轴作用”旋钮至适当的位置 (例如将“ X 轴作用”置于 0.1 伏/度，将“ Y 轴作用”置于 0.5 mA /度)，即可在图示仪上显示出如图 1.2.7 中所示的正向特性曲线部分。

根据所显示的正向特性曲线，可测试出被测二极管在某一电压ＶF下的正向电流Ｉ F ，正向直流电阻ＲF  和正向交流电阻  rF 等常用参数。

正向电流 ＩF ：如图1.2 .7 所示，对于不同的正向电压ＶF ，可从曲线上测出相应的正向电流ＩF 。

正向直流电阻 Ｒ F：ＶF 和 ＩF 的比值即为相应工作点处的正向直流电阻 ＲF 。

正向交流电阻  rF ：根据二极管在电路中的工作状态，确定其工作点的值 (ＶFQ，ＩFQ )，求出特性曲线在工作点处的斜率 ΔＶF / ΔＩF  ，即为交流电阻  rF 。

(３) 反向特性及有关参数的测试

为了测试二极管的反向特性，应使二极管处于反向偏置状态。因此，应将图示仪扫描电压的“极性”旋钮置于“－”。将光点移至屏幕的右上角。因为二极管的反向电压一般都比较高，因此需将“ X 轴作用”置于大量程档。又因为二极管的反向电流一般都比较小 (为  μA 数量级)，因此，需将“ Y 轴作用”置于小量程档。逐渐增大“峰值电压”，即可得到如图 1.2.7 中所示的二极管特性曲线的反向特性部分。

根据所显示的反向特性曲线，可测试出被测二极管的反向电流ＩR 、反向击穿电压ＶBR 等常用参数。

反向电流ＩR ：二极管的反向电流ＩR 就是二极管工作在所规定的反向电压值 (二极管使用手册中给出) 时的电流值，如图 1.2.7 中所示。对于硅二极管，反向电流值很小，一般不易测出。

反向击穿电压ＶBR ：当二极管的反向电压增大到一定值时，反向电流将急剧增大。当反向电流增大到规定值时，所对应的反向电压即为反向击穿电压。测试稳压二极管的稳压特性主要就是测量它的反向击穿电压。

三、实验内容及步骤

1．对 3DG6 或 3AX31 小功率三极管进行如下测试：

(1) 测试并绘出共发射极输出特性曲线。求出电流放大倍数 β 值。

(2) 测试并绘出穿透特性曲线。测出穿透电流ＩCEO 值。

(3) 测试并绘出共发射极输入特性曲线。

2．对 2AP9 型普通二极管进行如下测试：

(1) 测试并绘出正向特性曲线，求出ＶF = 0.5 伏时的正向电流ＩF。再测试出ＩF = 2.5 mA时的直流电阻 ＲF 和交流电阻  rF  。

(2) 测试并绘出反向特性曲线，测试出ＶR =－10 伏时的反向电流ＩR 。

注意，在上述实验中，绘图时应标注各图的刻度值及其单位。

四、实验仪器与设备

1. 指针式万用表               1台

2. 晶体管特性图示仪           1台

3. 被测元件一套 (2AP9  2只，3DG6  2只，3AX31  2只)

五、实验报告要求

1. 绘出被测三极管的特性曲线，根据“实验内容和步骤”中的要求，求出有关参数。

2. 绘出被测二极管的特性曲线，求出有关参数。