晶體管參數在實際使用中的意義（二）
發布時間：2019-08-02 15:33:15來源：
常規的直流參數有：三個反向漏電流（Iceo、Icbo、Iebo）、兩個飽和壓降（Vces、Vbes）、共發射極放大（Hfe或β）。分述如下。
1、 晶體管反向漏電流
定義：在PN結兩端加一定值反向直流電壓，此時檢測到的電流，即為被測晶體管的反向漏電流。
一個雙極型晶體管的反向漏電流有三個，分別是基極開路，集電極―發射極間的漏電流Iceo、發射極開路，集電極―基極間的漏電流Icbo、以及集電極開路，基極―發射極間的漏電流Iebo。
此參數對工程的指導意義是提供了晶體管在設計時所需考慮的電流影響及整機工作時因溫度升高，對晶體管此參數的要求。
實際上，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，一定要注意此參數對放大器的影響。
2、 晶體管的飽和壓降
定義：當晶體管的兩個結（集電結、發射結）都處于正偏時，則稱此晶體管處于飽和狀態，此時，發射結對電流阻礙時產生的電壓降，稱為前向飽和壓降（又稱正向壓降），記為Vbes；集電結對電流阻礙時產生的電壓降，稱為反向飽和壓降，記為Vces。當晶體管處于飽和狀態時，其基極電流對晶體管的控制將失去作用，此時，集電極―發射極間的管壓降比較小。
此參數對工程的指導意義是：Vces―限制了晶體管工作時的動態范圍；而Vbes―則是指出了晶體管的輸入要求及范圍。
此參數在實際應用中，出問題的較少。在設計時，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，導致的結果是Ib增大，對晶體管的輸出來講，Vces小會出現工作點偏移。
3、 晶體管的共發射極直流放大系數Hfe
定義：晶體管在共發射極的工作狀態時，固定晶體管的集電極―發射極電壓（VCE=一定值），在規定的Ic條件下，測量Ib的值，用公式
Ic=Iceo+β*Ib――――（Vce=常數）（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）。
此參數與溫度強相關。
此參數指明了晶體管基極電流對集電極電流的控制能力。其指導意義是給出了晶體管輸出與輸入之間的關系。
在設計一個電路時，都是從末級輸出開始，一步一步往前推，一級一級往前算，這就是對每個晶體管的放大量、工作點進行計算和確認。
我在做售后服務近程中，所碰到問題比較多的是客戶在進廠檢驗時，對供應商所供給晶體管的放大提出疑問。在處理此類問題時，發現了對放大檢測過程中的誤區，在此想通過解釋，使大家對晶體管的放大有一個正確的理解。
A：晶體管的放大，在前道生產中是比較重要的一個物理控制參數。測試時，除了嚴格安照產品設計規格要求的測試條件進行外，對環境溫度也進行了嚴格的控制。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，因各個公司的生產條件不盡相同，所能進行控制的精度不盡相同，這樣，同一品種的晶體管，在不同的時期，出現冬天放大偏小，夏天放大偏大的現象。而在整機廠的進廠檢驗工位，其環境溫度的控制遠不如封裝廠這樣講究，在這樣的環境下檢測晶體管的放大，出現誤差就在所難免。當某批貨的放大在規格書范圍的邊緣時，就會出現進廠檢驗不合格。對此，建議整機廠在對晶體管的放大進行專項驗收時，應該在規格書上所承諾的范圍上適當地放寬接收標準。
B：晶體管的放大系數，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的值強相關。有些整機廠為了降低生產成本，采用數字萬用表對幾乎所有的晶體管進行測試，并以此來作為進廠檢驗的標準，這實在是對晶體管放大的理解太膚淺了。根據我對數字萬用表的檢測，發現幾乎所有的數字萬用表測晶體管時所提供的測試條件是Vce=3V，Ic=0.5~1mA,此測試條件與9014、9015的常規條件相近外，與9012、8050等Icm較大的品種，相距甚遠。如果你說，我以所保留的樣品為準，同樣是很荒唐的。因為，你的所謂樣品的放大，是在芯片加工的控制范圍以外的，對此，沒有重復性可言。
C:對于選取Hfe的原則。當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初步了解。有人說，規格書不是已經提供了嗎？而我以為，規格書所提供的范圍，是非常粗的。這里，你所設置的工作點，不見得與規格書所標的測試條件相同，你所要求的放大，不見得就是規格書所標出的值。因此，當你設計計算結束后，應該把晶體管在你所設定的電流條件下對所有品種的晶體管都測試一遍，從中看看自己的設定有沒有問題，然后，還要查一下規格書中的曲線圖，驗證一下所選的晶體管是不是在安全區內。跟著才是做樣板或樣機。在對樣機的檢測中，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。如果一切都順利，也不能就此掉以輕心，以為大功告成，因為許多異常，只有在大生產時才會出現。
晶體管參數在實際使用中的意義（續三）
三、交流參數（AC）
晶體管的AC參數有很多，不同的使用環境、要求、功能，對晶體管的交流參數要求的側重點是完全不一樣的。例：當晶體管用于調頻收音機的高放時，普通收音機只要關心fT就夠了，但如果此收音機在二級以上，則就要對完成高放功能的晶體管，還會有噪聲（NF）的要求。對此類參數重點敘述fT、ts及相關的tf和td.分述如下：
1、 共發射極放大時的截住頻率fT
定義：晶體管處于共發射極的工作狀態時，基極輸入信號的頻率達到一定數量時，晶體管的放大會出現下降。當頻率升高到此管的放大等于1時，此頻率就稱為晶體管的截住頻率，又稱為特征頻率。
一般，在規格書上，都會有fT的值。注意此參數與晶體管的Ic有關，一情況下，Ic越大，測到的fT越高。此參數另一個特性是，當放大下降到10倍后，頻率的升高與放大的下降呈線性關系。完全可以用直流方程來求解其中的點。
此參數對工程設計的指導意義是規定了晶體管在共發射極狀態下，比較高工作頻率范圍。
當所設計的線路，要考慮到晶體管的fT時，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自激的可能。在做樣板時，還要注意因頻率升高后，對PCB板的一些特殊要求。
2、 晶體管的開關參數
當晶體管用于模擬開關作用時，其工作區是晶體管的工作點從截止區到飽和區輪換進行。無論哪種開關，都會有延遲出現。在規格書上，往往會提供ton、toff的規范。此參數對開關三極管來講，是一組很重要的參數。在這里，對此參數不進行專門說明。在開關電源普遍應用于各類電器時，各種門類的開關電源，已經是遍地開花。但我在與一些電源生產公司的工程師交流時發現，許多工程師對開關電源的性能、安全性影響極大的晶體管開關時間，很少關注，而往往只關注晶體管的擊穿電壓、放大等。對晶體管的這種片面理解，往往會導致生產中出現問題時，感到無從下手。下面重點談談此問題。
當晶體管工作在開關狀態時，首先假設晶體管是處于截止狀態（即關閉狀態）。當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，要經過4個階段，分別是：
集電極電流從“0”開始增大，升至Icm的10%所需的時間，稱為延遲時間，記作td；
集電極電流從Icm的10%開始，升至Icm的90%時所需的時間，稱為上升時間，記作tr；
此時，晶體管被認為呈開啟狀態。注意，此時因輸入信號仍維持高電平，，所以晶體管的Ic將繼續增大，只要此注入信號維持足夠長的時間，晶體管就會進入深飽和狀態。當晶體管進入深飽和后，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。這一點很重要！這兩段時間之和相當于規格書中的開啟時間ton.也就是說：
ton=td+tr
當注入信號由上升轉為下降，集電極電流將從飽和區退出。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，所需的時間，稱為儲存時間，記作ts；
集電極電流從Icm的90%降到10%的Icm所需的時間，稱為下降時間，記作tf.
顯然，這兩段時間之和，就相當于規格書中的關斷時間toff.也就是說：
toff=ts+tf.
在這四個時間段里，ts所占用的時間比較長。對電路的影響也比較大。但其它幾個時間段如果不給予足夠的注意，同樣會出大漏子。
在此，給出晶體管一個工作周期的功耗：
A：晶體管截止時的功耗：Poff=Iceo*Vcc*toff/T；
B：晶體管導通時的功耗：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，截止功耗和導通功耗都比較好理解。對于開通、關斷過程的功耗，沒有進行推導，直接采用了在許多專業書籍上推導的結果。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狀態時的功耗進行了分析。從中可以發現，晶體管的功耗，與晶體管的開關時間直接相關。晶體管工作的物理過程中，我們已知的事實是：晶體管從截止到飽和，經過放大區的時間可以做得很短，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，晶體管就能很快進入飽和狀態。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，使晶體管在經過放大區時，所需的時間很長。晶體管在功耗，在放大區是比較大的。因此，晶體管在轉換過程中，此過程中的功耗，起了主要作用。實踐中發現，晶體管的ts,對振蕩頻率的影響比較大。當晶體管起振后，隨著晶體管殼溫升高，晶體管幾乎所有的電參數發生了變化。其中，影響比較大的是放大、和開關參數。放大變化后，對電路所產生的影響，相信工程師們都有體會，但對開關參數變化所引起的后果，則往往很少注意。而晶體管在開關電源應用中的失效，恰恰大部分是因開關時間在高溫下的變化率太大而致。我曾做過這方面的實驗：用一組放大基本相似、但開關時間不同的晶體管在同樣的條件下試驗，結果發現，凡是溫度異常升高，嚴重時炸管的，都是tf較大的晶體管。通過反復對比，發現當晶體管用于節能燈時，tf的影響，不如開關電源那么敏感。而當晶體管用于節能燈時，則對ts相當敏感。在此，可以給出試驗結論：
晶體管用于節能燈時，ts對燈功率、啟動電壓相當敏感。在芯片面積小于1平方毫米時，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，要求ts的范圍在2.5―4.5微秒左右；而當芯片面積大于2平方毫米時，因芯片加工工藝的關系，不能給出統一的標準，只能說靠實驗來定了。順便說一下，芯片面積越大，則ts也就越大。
當晶體管用于開關電源時，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，一定要通過試驗得出結論后，才能投產。順便說一下，tf與BVCEO電壓強相關，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時，不能只考慮某項單一參數，而要進行全面權衡。