晶體管參數(shù)在實(shí)際使用中的意義（二）
發(fā)布時(shí)間：2019-08-02 15:33:15來源：
常規(guī)的直流參數(shù)有：三個(gè)反向漏電流（Iceo、Icbo、Iebo）、兩個(gè)飽和壓降（Vces、Vbes）、共發(fā)射極放大（Hfe或β）。分述如下。
1、 晶體管反向漏電流
定義：在PN結(jié)兩端加一定值反向直流電壓，此時(shí)檢測到的電流，即為被測晶體管的反向漏電流。
一個(gè)雙極型晶體管的反向漏電流有三個(gè)，分別是基極開路，集電極―發(fā)射極間的漏電流Iceo、發(fā)射極開路，集電極―基極間的漏電流Icbo、以及集電極開路，基極―發(fā)射極間的漏電流Iebo。
此參數(shù)對工程的指導(dǎo)意義是提供了晶體管在設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的電流影響及整機(jī)工作時(shí)因溫度升高，對晶體管此參數(shù)的要求。
實(shí)際上，目前所使用的晶體管，大部份是以硅材料制成的。由硅材料的特性可知，在常溫下其漏電是很小的，基本是微安級。但，當(dāng)溫度升高后，其漏電的增漲速率則很高。因此，在用于精密放大（測量）時(shí)，一定要注意此參數(shù)對放大器的影響。
2、 晶體管的飽和壓降
定義：當(dāng)晶體管的兩個(gè)結(jié)（集電結(jié)、發(fā)射結(jié)）都處于正偏時(shí)，則稱此晶體管處于飽和狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)射結(jié)對電流阻礙時(shí)產(chǎn)生的電壓降，稱為前向飽和壓降（又稱正向壓降），記為Vbes；集電結(jié)對電流阻礙時(shí)產(chǎn)生的電壓降，稱為反向飽和壓降，記為Vces。當(dāng)晶體管處于飽和狀態(tài)時(shí)，其基極電流對晶體管的控制將失去作用，此時(shí)，集電極―發(fā)射極間的管壓降比較小。
此參數(shù)對工程的指導(dǎo)意義是：Vces―限制了晶體管工作時(shí)的動態(tài)范圍；而Vbes―則是指出了晶體管的輸入要求及范圍。
此參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，出問題的較少。在設(shè)計(jì)時(shí)，只要考慮到隨著溫度升高，飽和壓降會變大，對基極注入來講，Vbes小，導(dǎo)致的結(jié)果是Ib增大，對晶體管的輸出來講，Vces小會出現(xiàn)工作點(diǎn)偏移。
3、 晶體管的共發(fā)射極直流放大系數(shù)Hfe
定義：晶體管在共發(fā)射極的工作狀態(tài)時(shí)，固定晶體管的集電極―發(fā)射極電壓（VCE=一定值），在規(guī)定的Ic條件下，測量Ib的值，用公式
Ic=Iceo+β*Ib――――（Vce=常數(shù)）（Iceo――――晶體管的漏電流，又稱穿透電流）求出
β≈Ic/Ib（忽略晶體管的漏電流Iceo）。
此參數(shù)與溫度強(qiáng)相關(guān)。
此參數(shù)指明了晶體管基極電流對集電極電流的控制能力。其指導(dǎo)意義是給出了晶體管輸出與輸入之間的關(guān)系。
在設(shè)計(jì)一個(gè)電路時(shí)，都是從末級輸出開始，一步一步往前推，一級一級往前算，這就是對每個(gè)晶體管的放大量、工作點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和確認(rèn)。
我在做售后服務(wù)近程中，所碰到問題比較多的是客戶在進(jìn)廠檢驗(yàn)時(shí)，對供應(yīng)商所供給晶體管的放大提出疑問。在處理此類問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了對放大檢測過程中的誤區(qū)，在此想通過解釋，使大家對晶體管的放大有一個(gè)正確的理解。
A：晶體管的放大，在前道生產(chǎn)中是比較重要的一個(gè)物理控制參數(shù)。測試時(shí)，除了嚴(yán)格安照產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格要求的測試條件進(jìn)行外，對環(huán)境溫度也進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。一般，芯片加工廠測試工序的溫度控制范圍是22.5℃±0.5℃，而在封裝廠，因各個(gè)公司的生產(chǎn)條件不盡相同，所能進(jìn)行控制的精度不盡相同，這樣，同一品種的晶體管，在不同的時(shí)期，出現(xiàn)冬天放大偏小，夏天放大偏大的現(xiàn)象。而在整機(jī)廠的進(jìn)廠檢驗(yàn)工位，其環(huán)境溫度的控制遠(yuǎn)不如封裝廠這樣講究，在這樣的環(huán)境下檢測晶體管的放大，出現(xiàn)誤差就在所難免。當(dāng)某批貨的放大在規(guī)格書范圍的邊緣時(shí)，就會出現(xiàn)進(jìn)廠檢驗(yàn)不合格。對此，建議整機(jī)廠在對晶體管的放大進(jìn)行專項(xiàng)驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)該在規(guī)格書上所承諾的范圍上適當(dāng)?shù)胤艑捊邮諛?biāo)準(zhǔn)。
B：晶體管的放大系數(shù)，是在一種特定的條件下測得的。從晶體管的各種等效電路上可知，Hfe與Ic的值強(qiáng)相關(guān)。有些整機(jī)廠為了降低生產(chǎn)成本，采用數(shù)字萬用表對幾乎所有的晶體管進(jìn)行測試，并以此來作為進(jìn)廠檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，這實(shí)在是對晶體管放大的理解太膚淺了。根據(jù)我對數(shù)字萬用表的檢測，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的數(shù)字萬用表測晶體管時(shí)所提供的測試條件是Vce=3V，Ic=0.5~1mA,此測試條件與9014、9015的常規(guī)條件相近外，與9012、8050等Icm較大的品種，相距甚遠(yuǎn)。如果你說，我以所保留的樣品為準(zhǔn)，同樣是很荒唐的。因?yàn)椋愕乃^樣品的放大，是在芯片加工的控制范圍以外的，對此，沒有重復(fù)性可言。
C:對于選取Hfe的原則。當(dāng)我們確定使用某款晶體管后，首先要對此管子的放大有一個(gè)初步了解。有人說，規(guī)格書不是已經(jīng)提供了嗎？而我以為，規(guī)格書所提供的范圍，是非常粗的。這里，你所設(shè)置的工作點(diǎn)，不見得與規(guī)格書所標(biāo)的測試條件相同，你所要求的放大，不見得就是規(guī)格書所標(biāo)出的值。因此，當(dāng)你設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)束后，應(yīng)該把晶體管在你所設(shè)定的電流條件下對所有品種的晶體管都測試一遍，從中看看自己的設(shè)定有沒有問題，然后，還要查一下規(guī)格書中的曲線圖，驗(yàn)證一下所選的晶體管是不是在安全區(qū)內(nèi)。跟著才是做樣板或樣機(jī)。在對樣機(jī)的檢測中，要注意晶體管的溫度變化（尤其是功放級），是不是在自己的控制這內(nèi)。如果一切都順利，也不能就此掉以輕心，以為大功告成，因?yàn)樵S多異常，只有在大生產(chǎn)時(shí)才會出現(xiàn)。
晶體管參數(shù)在實(shí)際使用中的意義（續(xù)三）
三、交流參數(shù)（AC）
晶體管的AC參數(shù)有很多，不同的使用環(huán)境、要求、功能，對晶體管的交流參數(shù)要求的側(cè)重點(diǎn)是完全不一樣的。例：當(dāng)晶體管用于調(diào)頻收音機(jī)的高放時(shí)，普通收音機(jī)只要關(guān)心fT就夠了，但如果此收音機(jī)在二級以上，則就要對完成高放功能的晶體管，還會有噪聲（NF）的要求。對此類參數(shù)重點(diǎn)敘述fT、ts及相關(guān)的tf和td.分述如下：
1、 共發(fā)射極放大時(shí)的截住頻率fT
定義：晶體管處于共發(fā)射極的工作狀態(tài)時(shí)，基極輸入信號的頻率達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，晶體管的放大會出現(xiàn)下降。當(dāng)頻率升高到此管的放大等于1時(shí)，此頻率就稱為晶體管的截住頻率，又稱為特征頻率。
一般，在規(guī)格書上，都會有fT的值。注意此參數(shù)與晶體管的Ic有關(guān)，一情況下，Ic越大，測到的fT越高。此參數(shù)另一個(gè)特性是，當(dāng)放大下降到10倍后，頻率的升高與放大的下降呈線性關(guān)系。完全可以用直流方程來求解其中的點(diǎn)。
此參數(shù)對工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義是規(guī)定了晶體管在共發(fā)射極狀態(tài)下，比較高工作頻率范圍。
當(dāng)所設(shè)計(jì)的線路，要考慮到晶體管的fT時(shí)，放大器的工作頻率只能是fT的十分之一以下。但，不是晶體管的頻率越高越好，如果晶體管的頻率太高，則會增加引起放大器在工作時(shí)自激的可能。在做樣板時(shí)，還要注意因頻率升高后，對PCB板的一些特殊要求。
2、 晶體管的開關(guān)參數(shù)
當(dāng)晶體管用于模擬開關(guān)作用時(shí)，其工作區(qū)是晶體管的工作點(diǎn)從截止區(qū)到飽和區(qū)輪換進(jìn)行。無論哪種開關(guān)，都會有延遲出現(xiàn)。在規(guī)格書上，往往會提供ton、toff的規(guī)范。此參數(shù)對開關(guān)三極管來講，是一組很重要的參數(shù)。在這里，對此參數(shù)不進(jìn)行專門說明。在開關(guān)電源普遍應(yīng)用于各類電器時(shí)，各種門類的開關(guān)電源，已經(jīng)是遍地開花。但我在與一些電源生產(chǎn)公司的工程師交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多工程師對開關(guān)電源的性能、安全性影響極大的晶體管開關(guān)時(shí)間，很少關(guān)注，而往往只關(guān)注晶體管的擊穿電壓、放大等。對晶體管的這種片面理解，往往會導(dǎo)致生產(chǎn)中出現(xiàn)問題時(shí)，感到無從下手。下面重點(diǎn)談?wù)劥藛栴}。
當(dāng)晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，首先假設(shè)晶體管是處于截止?fàn)顟B(tài)（即關(guān)閉狀態(tài)）。當(dāng)在晶體管的基極注入一足夠大的正向電流開始，到完成一次翻轉(zhuǎn)，要經(jīng)過4個(gè)階段，分別是：
集電極電流從“0”開始增大，升至Icm的10%所需的時(shí)間，稱為延遲時(shí)間，記作td；
集電極電流從Icm的10%開始，升至Icm的90%時(shí)所需的時(shí)間，稱為上升時(shí)間，記作tr；
此時(shí)，晶體管被認(rèn)為呈開啟狀態(tài)。注意，此時(shí)因輸入信號仍維持高電平，，所以晶體管的Ic將繼續(xù)增大，只要此注入信號維持足夠長的時(shí)間，晶體管就會進(jìn)入深飽和狀態(tài)。當(dāng)晶體管進(jìn)入深飽和后，基極電流的增加，對集電極電流將失去控制，僅僅能起維持作用。這一點(diǎn)很重要！這兩段時(shí)間之和相當(dāng)于規(guī)格書中的開啟時(shí)間ton.也就是說：
ton=td+tr
當(dāng)注入信號由上升轉(zhuǎn)為下降，集電極電流將從飽和區(qū)退出。集電極電流在基極注入反向電流后，從Icm開始下降，到下降至90%時(shí)，所需的時(shí)間，稱為儲存時(shí)間，記作ts；
集電極電流從Icm的90%降到10%的Icm所需的時(shí)間，稱為下降時(shí)間，記作tf.
顯然，這兩段時(shí)間之和，就相當(dāng)于規(guī)格書中的關(guān)斷時(shí)間toff.也就是說：
toff=ts+tf.
在這四個(gè)時(shí)間段里，ts所占用的時(shí)間比較長。對電路的影響也比較大。但其它幾個(gè)時(shí)間段如果不給予足夠的注意，同樣會出大漏子。
在此，給出晶體管一個(gè)工作周期的功耗：
A：晶體管截止時(shí)的功耗：Poff=Iceo*Vcc*toff/T；
B：晶體管導(dǎo)通時(shí)的功耗：Pon=Ic*Vces*ton/T；
C: 晶體管開通過程中的功耗：Pr=1/6T Ic(Vc+2Vces)tr；
D：晶體管關(guān)斷過程中的功耗：Pf=1/6T Ic(Vc+2Vces)tf。
總功耗Pc=A+B+C+D=Poff+Pon+Pr+Pf
在以上這組公式中，截止功耗和導(dǎo)通功耗都比較好理解。對于開通、關(guān)斷過程的功耗，沒有進(jìn)行推導(dǎo)，直接采用了在許多專業(yè)書籍上推導(dǎo)的結(jié)果。有興趣的可以在介紹這方面原理的書中找到。
以上是從理論上對晶體管的開關(guān)狀態(tài)時(shí)的功耗進(jìn)行了分析。從中可以發(fā)現(xiàn)，晶體管的功耗，與晶體管的開關(guān)時(shí)間直接相關(guān)。晶體管工作的物理過程中，我們已知的事實(shí)是：晶體管從截止到飽和，經(jīng)過放大區(qū)的時(shí)間可以做得很短，也就是說，從晶體管的截止到飽和，只要給晶體管注入足夠大的基極電流，晶體管就能很快進(jìn)入飽和狀態(tài)。但晶體管要從飽和退回到截止，就不是那么容易了。因ts的存在，使晶體管在經(jīng)過放大區(qū)時(shí)，所需的時(shí)間很長。晶體管在功耗，在放大區(qū)是比較大的。因此，晶體管在轉(zhuǎn)換過程中，此過程中的功耗，起了主要作用。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，晶體管的ts,對振蕩頻率的影響比較大。當(dāng)晶體管起振后，隨著晶體管殼溫升高，晶體管幾乎所有的電參數(shù)發(fā)生了變化。其中，影響比較大的是放大、和開關(guān)參數(shù)。放大變化后，對電路所產(chǎn)生的影響，相信工程師們都有體會，但對開關(guān)參數(shù)變化所引起的后果，則往往很少注意。而晶體管在開關(guān)電源應(yīng)用中的失效，恰恰大部分是因開關(guān)時(shí)間在高溫下的變化率太大而致。我曾做過這方面的實(shí)驗(yàn)：用一組放大基本相似、但開關(guān)時(shí)間不同的晶體管在同樣的條件下試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凡是溫度異常升高，嚴(yán)重時(shí)炸管的，都是tf較大的晶體管。通過反復(fù)對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶體管用于節(jié)能燈時(shí)，tf的影響，不如開關(guān)電源那么敏感。而當(dāng)晶體管用于節(jié)能燈時(shí)，則對ts相當(dāng)敏感。在此，可以給出試驗(yàn)結(jié)論：
晶體管用于節(jié)能燈時(shí)，ts對燈功率、啟動電壓相當(dāng)敏感。在芯片面積小于1平方毫米時(shí)，希望ts的取值越大越好，至少要在0.7微秒以上；在芯片面積大于1平方毫米、小于1.84平方毫米時(shí)，要求ts的范圍在2.5―4.5微秒左右；而當(dāng)芯片面積大于2平方毫米時(shí)，因芯片加工工藝的關(guān)系，不能給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能說靠實(shí)驗(yàn)來定了。順便說一下，芯片面積越大，則ts也就越大。
當(dāng)晶體管用于開關(guān)電源時(shí)，如果是線路是采用單管變壓器反饋振蕩的，則要求tf小于0.7微秒，如果線路采用的是集成電路控制PWM的雙管變換線路的，則除了對ts有要求外，對晶體管的tf、td都得加以注意，一定要通過試驗(yàn)得出結(jié)論后，才能投產(chǎn)。順便說一下，tf與BVCEO電壓強(qiáng)相關(guān)，擊穿電壓越高，則tf 越大。而且，要使ts減小，可以通過輻照等工藝，使參數(shù)滿足要求，而輻照，對tf幾乎沒有影響。所以，在選用晶體管的參數(shù)時(shí)，不能只考慮某項(xiàng)單一參數(shù)，而要進(jìn)行全面權(quán)衡。