晶體管參數(shù)在實(shí)際使用中的意義（一）
發(fā)布時(shí)間：2019-08-02 15:33:15來(lái)源：
所謂極限參數(shù)，是指在晶體管工作時(shí)，不管因何種原因，都不允許超過(guò)的參數(shù)。這些參數(shù)常規(guī)的有三個(gè)擊穿電壓（BV）、比較大集電極電流（Icm）、比較大集電極耗散功率（Pcm）、晶體管工作的環(huán)境（包括溫度、濕度、電磁場(chǎng)、大氣壓等）、存儲(chǔ)條件等。在民用電子產(chǎn)品的應(yīng)用中，基本只關(guān)心前三個(gè)。
1、 晶體管的反向擊穿電壓
定義：在被測(cè)PN結(jié)兩端施加連續(xù)可調(diào)的反向直流電壓，觀(guān)察其PN結(jié)的電流變化情況，當(dāng)PN結(jié)的反向電流出現(xiàn)劇烈增加時(shí)，此時(shí)施加到此PN結(jié)兩端的電壓值，就是此PN結(jié)的反向擊穿電壓。
每個(gè)晶體管都有三個(gè)反向擊穿電壓，分別是：基極開(kāi)路時(shí)集電極―發(fā)射極反向擊穿電壓（BVceo）、發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極―基極反向擊穿電壓（BVcbo）和集電極開(kāi)路時(shí)基極―發(fā)射極反向擊穿電壓。
此電參數(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義是：決定了晶體管正常工作的電壓范圍。
由此電參數(shù)的特性可知，當(dāng)晶體管在工作中出現(xiàn)擊穿狀態(tài)，將是非常危險(xiǎn)的。因此，在設(shè)計(jì)中，都給晶體管工作時(shí)的電壓范圍，留有足夠的余量。實(shí)際上，當(dāng)晶體管長(zhǎng)期工作在較高電壓時(shí)（晶體管實(shí)測(cè)值的60%以上），其晶體管的可靠性將會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的下降。有興趣的可以參考《電子元器件降額準(zhǔn)則》。
許多公司在對(duì)來(lái)料進(jìn)行入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些品種的反向擊穿電壓實(shí)測(cè)值要比規(guī)格書(shū)上所標(biāo)的要大出許多。這是怎么回事呢？
晶體管在生產(chǎn)制造過(guò)程中，與一些我們常見(jiàn)的生產(chǎn)完全不一樣。在晶體管的生產(chǎn)過(guò)程中，可以分成二大塊：芯片制造和封裝。在工程分類(lèi)中，習(xí)慣把芯片制造統(tǒng)稱(chēng)為“前道”，而把封裝行業(yè)統(tǒng)稱(chēng)為“后道”。在前道生產(chǎn)中，從投料開(kāi)始選原材料，到芯片出廠(chǎng)，一切控制數(shù)據(jù)，給出的都是范圍。芯片在正常生產(chǎn)時(shí)，投料的比較小單位是“編號(hào)批”，每批為24或25片4英寸到8英寸直徑的園片。就以4寸片為例，每片可出合格的晶體管只數(shù)少則上千，多則可近10萬(wàn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，比較小生產(chǎn)單位是“擴(kuò)散批”，一個(gè)擴(kuò)散批所投的園片從150片到250片之間。可以想象出，在芯片的前道生產(chǎn)中，每次投料，對(duì)以單只來(lái)計(jì)算的晶體管而言，是一個(gè)什么樣的數(shù)量概念。不說(shuō)別的，要讓一個(gè)擴(kuò)散批所有的材料，具有相同的電特性（這里，也可以說(shuō)是硅片的電阻率），是不可能的。加上硅片中，不可避免的會(huì)有一些固有的缺陷（半導(dǎo)體晶格的層錯(cuò)和位錯(cuò)），使得在幾乎相同環(huán)境中生產(chǎn)出的同一品種的晶體管，不可能具有完全相同的電特性。這樣只能給出一個(gè)大家都能接受的范圍，這就是產(chǎn)品規(guī)格書(shū)。
為了提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)在許多芯片廠(chǎng)都把芯片的“免測(cè)率”作為生產(chǎn)線(xiàn)工序能力的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)。所謂的“免測(cè)”，是指產(chǎn)品的參數(shù)靠設(shè)計(jì)、工序控制來(lái)達(dá)到，加工結(jié)束后，通過(guò)抽測(cè)部分相關(guān)點(diǎn)的參數(shù)，來(lái)判斷此片的質(zhì)量情況。當(dāng)此片的抽測(cè)合格率在96%以上時(shí)，就把此片芯片列入“免測(cè)片”。要使晶體管芯片達(dá)到免測(cè)試，就必須對(duì)其中的一些參數(shù)進(jìn)行“余量放大”。而晶體管的反向擊穿電壓就是重點(diǎn)之一。為了提高晶體管的反射擊穿電壓，芯片投料時(shí)，就會(huì)對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的考慮是在比較差的工藝加工情況下，所生產(chǎn)出的晶體管反向擊穿電壓也要比規(guī)格書(shū)高10~20%，而在生產(chǎn)控制時(shí)，為了達(dá)到生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)，又會(huì)考慮在比較差的情況下，使產(chǎn)品能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這樣，就使已經(jīng)被放大過(guò)一次的指標(biāo)再次被大10~20%。這樣，就使原來(lái)只要求反向擊穿電壓達(dá)到20~30V的晶體管，在實(shí)測(cè)時(shí)，部分就能達(dá)到60V以上，甚至更高。這就是為什么有時(shí)一些晶體管的反向擊穿電壓實(shí)測(cè)值會(huì)遠(yuǎn)大于規(guī)格書(shū)的原因。盡管一些晶體管的反向擊穿電壓值遠(yuǎn)大于規(guī)格書(shū)，那么，是否就可以以實(shí)測(cè)值來(lái)作為使用的依據(jù)呢？回答是否定的。
這是因?yàn)椋械木w管測(cè)試程序，都是以規(guī)格書(shū)上所提供的參數(shù)范圍，來(lái)作為差別晶體管合格與否的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)反向擊穿電壓而言，只要比規(guī)格書(shū)上所規(guī)定的值大，就判為合格。如果你測(cè)量到的反向擊穿電壓要遠(yuǎn)高于規(guī)格書(shū)，不要以為供應(yīng)商以后發(fā)給你的貨，都是具有與此相同的電壓特性，供應(yīng)商所提供的商品，永遠(yuǎn)只會(huì)承諾以規(guī)格書(shū)為準(zhǔn)，也只能是以規(guī)格書(shū)為準(zhǔn)提供商品。規(guī)格書(shū)上所承諾的，是實(shí)際的，而其它，都是虛的。因此，建議在設(shè)計(jì)選型時(shí)，一定要以規(guī)格書(shū)為準(zhǔn)，并留下足夠的余量，而不是以實(shí)物的測(cè)試值為準(zhǔn)。
在一些高反壓晶體管的規(guī)格書(shū)上，有些反向擊穿電壓以BVcer和BVcbr來(lái)表述。此種表述的含義是：
BVcer――基極與發(fā)射極之間，接有一只KΩ量綱的電阻，其它測(cè)試原理、測(cè)試條件與BVceo相同。同樣，BVcbr在測(cè)試晶體管的C-B結(jié)的反向擊穿電壓時(shí)，其晶體管的發(fā)射極不是懸空，而是通過(guò)一只KΩ量綱的電阻接到“零電位”。晶體管的反向擊穿電壓高低的排列是： BVcbo≥BVcbr>BVcer>BVceo。
晶體管的比較大集電極電流Icm
晶體管的比較大集電極電流 Icm
定義：晶體管處于共發(fā)射極工作時(shí)，集電極―發(fā)射極之間的電壓為一定值，增加晶體管的Ic，隨著Ic的增加，晶體管的放大會(huì)減小。當(dāng)晶體管的放大降到是正常時(shí)（測(cè)試條件）的一半時(shí)，此時(shí)的Ic就稱(chēng)為Icm。
此電參數(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義是：決定了晶體管正常工作的電流范圍。
此電參數(shù)與放大有關(guān)。從放大（此處所說(shuō)的放大是指晶體管在共發(fā)射極電路時(shí)的Hfe。在沒(méi)有特別說(shuō)明時(shí)，都是指此）的公式上可知：
Ic=Iceo+β*Ib――――（Vce=常數(shù)）
Iceo――――晶體管的漏電流，又稱(chēng)穿透電流
晶體管在通電后，總有漏電流（Iceo）的存在。而且Iceo與溫度強(qiáng)相關(guān)。因此，此參數(shù)也與溫度強(qiáng)相關(guān)。
雙極型晶體管是電流控制器件。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)此項(xiàng)參數(shù)的考慮要點(diǎn)是必須考慮晶體管的工作環(huán)境溫度。隨著溫度升高，放大升高，使晶體管的Ic增大，當(dāng)進(jìn)入惡性循環(huán)后，晶體管會(huì)很快失效。
在設(shè)計(jì)時(shí)，整機(jī)中Ic的實(shí)測(cè)值，不要超過(guò)規(guī)格書(shū)所標(biāo)的60%。如果超過(guò)此值，同樣會(huì)使晶體管的可靠性出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的下降。對(duì)此可以從硅材料的導(dǎo)電特性（趨邊效應(yīng)）中，找到答案。
3、 集電極比較大耗散功率Pcm
定義：晶體管工作時(shí)，施加在集電極―發(fā)射極之間的電壓和流過(guò)該晶體管集電極電流的乘積，即為此晶體管的集電極耗散功率。所謂集電極比較大耗散功率Pcm則是考慮到晶體管的熱阻、比較高結(jié)溫等綜合因素，以文字形式，規(guī)定的值，此數(shù)值由規(guī)格書(shū)提供。
晶體管的Pcm除了與芯片面積有關(guān)外，還與封裝形式有關(guān)。一般情況下，封裝為T(mén)O-92的，Pcm<650mW，封裝為T(mén)O-126的，Pcm<1.25W，封裝為T(mén)O-220的，Pcm<2W。當(dāng)芯片采用TO-220的封裝時(shí)，基本就與芯片面積無(wú)關(guān)了。需要說(shuō)明的是，在這里的說(shuō)的Pcm，都是不帶散熱片的“裸管”。
此電參數(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義是：決定了晶體管正常工作的功率范圍。
需要說(shuō)明的是，Pcm是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的，只能靠設(shè)計(jì)和工藝保證。如果從單一的極限參數(shù)來(lái)講，BV（反向擊穿）是可逆的，即降低電壓，晶體管仍能恢復(fù)原來(lái)的特性；瞬間的集電極電流超過(guò)Icm了，晶體管也就是放大變差而已。但對(duì)Pcm就不是了，如果晶體管工作時(shí)的Pc超過(guò)了Pcm，那怕是瞬間（毫秒級(jí)）的，則晶體管也很可能會(huì)永久失效，至少會(huì)使P-N結(jié)受損，這樣，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)的可靠性大大下降。我在進(jìn)行客戶(hù)服務(wù)的過(guò)程中，此類(lèi)事遇到過(guò)多次。
遇到這種情況，建議要首先計(jì)算一下晶體管的功率。從Pcm的安全區(qū)來(lái)講，設(shè)計(jì)時(shí)不要超過(guò)50%為好。現(xiàn)在，許多客戶(hù)在使用晶體管時(shí)，往往都把管子的余量用足了，我以為，這是工程師對(duì)產(chǎn)品不負(fù)責(zé)任的表現(xiàn)。要知道，晶體管的余量是分段、分級(jí)的，設(shè)計(jì)、工藝所設(shè)定的余量，是留給產(chǎn)品本身的。而且，既然是余量，就會(huì)有大有小，而你拿到的樣品，則是隨機(jī)的，如果在這里把樣品作為藍(lán)本，則就是埋下了一顆“定時(shí)**”，不知什么時(shí)候會(huì)讓你手忙腳亂。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，也應(yīng)該給客戶(hù)留下足夠的余量，這是我們工程師的職責(zé)。
對(duì)于Pcm的設(shè)計(jì)，一定要從比較壞的處著手分析，同時(shí)，還要考慮環(huán)境溫度的影響。否則，很可能出現(xiàn)意想不到的異常。
Pcm對(duì)半導(dǎo)體器件的限制，可推廣到所有的半導(dǎo)體產(chǎn)品。