晶体管参数在实际使用中的意义（二）
发布时间：2019-08-02 15:33:15来源：
常规的直流参数有：三个反向漏电流（Iceo、Icbo、Iebo）、两个饱和压降（Vces、Vbes）、共发射极放大（Hfe或β）。分述如下。
1、 晶体管反向漏电流
定义：在PN结两端加一定值反向直流电压，此时检测到的电流，即为被测晶体管的反向漏电流。
一个双极型晶体管的反向漏电流有三个，分别是基极开路，集电极―发射极间的漏电流Iceo、发射极开路，集电极―基极间的漏电流Icbo、以及集电极开路，基极―发射极间的漏电流Iebo。
此参数对工程的指导意义是提供了晶体管在设计时所需考虑的电流影响及整机工作时因温度升高，对晶体管此参数的要求。
实际上，目前所使用的晶体管，大部份是以硅材料制成的。由硅材料的特性可知，在常温下其漏电是很小的，基本是微安级。但，当温度升高后，其漏电的增涨速率则很高。因此，在用于精密放大（测量）时，一定要注意此参数对放大器的影响。
2、 晶体管的饱和压降
定义：当晶体管的两个结（集电结、发射结）都处于正偏时，则称此晶体管处于饱和状态，此时，发射结对电流阻碍时产生的电压降，称为前向饱和压降（又称正向压降），记为Vbes；集电结对电流阻碍时产生的电压降，称为反向饱和压降，记为Vces。当晶体管处于饱和状态时，其基极电流对晶体管的控制将失去作用，此时，集电极―发射极间的管压降比较小。
此参数对工程的指导意义是：Vces―限制了晶体管工作时的动态范围；而Vbes―则是指出了晶体管的输入要求及范围。
此参数在实际应用中，出问题的较少。在设计时，只要考虑到随着温度升高，饱和压降会变大，对基极注入来讲，Vbes小，导致的结果是Ib增大，对晶体管的输出来讲，Vces小会出现工作点偏移。
3、 晶体管的共发射极直流放大系数Hfe
定义：晶体管在共发射极的工作状态时，固定晶体管的集电极―发射极电压（VCE=一定值），在规定的Ic条件下，测量Ib的值，用公式
Ic=Iceo+β*Ib――――（Vce=常数）（Iceo――――晶体管的漏电流，又称穿透电流）求出
β≈Ic/Ib（忽略晶体管的漏电流Iceo）。
此参数与温度强相关。
此参数指明了晶体管基极电流对集电极电流的控制能力。其指导意义是给出了晶体管输出与输入之间的关系。
在设计一个电路时，都是从末级输出开始，一步一步往前推，一级一级往前算，这就是对每个晶体管的放大量、工作点进行计算和确认。
我在做售后服务近程中，所碰到问题比较多的是客户在进厂检验时，对供应商所供给晶体管的放大提出疑问。在处理此类问题时，发现了对放大检测过程中的误区，在此想通过解释，使大家对晶体管的放大有一个正确的理解。
A：晶体管的放大，在前道生产中是比较重要的一个物理控制参数。测试时，除了严格安照产品设计规格要求的测试条件进行外，对环境温度也进行了严格的控制。一般，芯片加工厂测试工序的温度控制范围是22.5℃±0.5℃，而在封装厂，因各个公司的生产条件不尽相同，所能进行控制的精度不尽相同，这样，同一品种的晶体管，在不同的时期，出现冬天放大偏小，夏天放大偏大的现象。而在整机厂的进厂检验工位，其环境温度的控制远不如封装厂这样讲究，在这样的环境下检测晶体管的放大，出现误差就在所难免。当某批货的放大在规格书范围的边缘时，就会出现进厂检验不合格。对此，建议整机厂在对晶体管的放大进行专项验收时，应该在规格书上所承诺的范围上适当地放宽接收标准。
B：晶体管的放大系数，是在一种特定的条件下测得的。从晶体管的各种等效电路上可知，Hfe与Ic的值强相关。有些整机厂为了降低生产成本，采用数字万用表对几乎所有的晶体管进行测试，并以此来作为进厂检验的标准，这实在是对晶体管放大的理解太肤浅了。根据我对数字万用表的检测，发现几乎所有的数字万用表测晶体管时所提供的测试条件是Vce=3V，Ic=0.5~1mA,此测试条件与9014、9015的常规条件相近外，与9012、8050等Icm较大的品种，相距甚远。如果你说，我以所保留的样品为准，同样是很荒唐的。因为，你的所谓样品的放大，是在芯片加工的控制范围以外的，对此，没有重复性可言。
C:对于选取Hfe的原则。当我们确定使用某款晶体管后，首先要对此管子的放大有一个初步了解。有人说，规格书不是已经提供了吗？而我以为，规格书所提供的范围，是非常粗的。这里，你所设置的工作点，不见得与规格书所标的测试条件相同，你所要求的放大，不见得就是规格书所标出的值。因此，当你设计计算结束后，应该把晶体管在你所设定的电流条件下对所有品种的晶体管都测试一遍，从中看看自己的设定有没有问题，然后，还要查一下规格书中的曲线图，验证一下所选的晶体管是不是在安全区内。跟着才是做样板或样机。在对样机的检测中，要注意晶体管的温度变化（尤其是功放级），是不是在自己的控制这内。如果一切都顺利，也不能就此掉以轻心，以为大功告成，因为许多异常，只有在大生产时才会出现。
晶体管参数在实际使用中的意义（续三）
三、交流参数（AC）
晶体管的AC参数有很多，不同的使用环境、要求、功能，对晶体管的交流参数要求的侧重点是完全不一样的。例：当晶体管用于调频收音机的高放时，普通收音机只要关心fT就够了，但如果此收音机在二级以上，则就要对完成高放功能的晶体管，还会有噪声（NF）的要求。对此类参数重点叙述fT、ts及相关的tf和td.分述如下：
1、 共发射极放大时的截住频率fT
定义：晶体管处于共发射极的工作状态时，基极输入信号的频率达到一定数量时，晶体管的放大会出现下降。当频率升高到此管的放大等于1时，此频率就称为晶体管的截住频率，又称为特征频率。
一般，在规格书上，都会有fT的值。注意此参数与晶体管的Ic有关，一情况下，Ic越大，测到的fT越高。此参数另一个特性是，当放大下降到10倍后，频率的升高与放大的下降呈线性关系。完全可以用直流方程来求解其中的点。
此参数对工程设计的指导意义是规定了晶体管在共发射极状态下，比较高工作频率范围。
当所设计的线路，要考虑到晶体管的fT时，放大器的工作频率只能是fT的十分之一以下。但，不是晶体管的频率越高越好，如果晶体管的频率太高，则会增加引起放大器在工作时自激的可能。在做样板时，还要注意因频率升高后，对PCB板的一些特殊要求。
2、 晶体管的开关参数
当晶体管用于模拟开关作用时，其工作区是晶体管的工作点从截止区到饱和区轮换进行。无论哪种开关，都会有延迟出现。在规格书上，往往会提供ton、toff的规范。此参数对开关三极管来讲，是一组很重要的参数。在这里，对此参数不进行专门说明。在开关电源普遍应用于各类电器时，各种门类的开关电源，已经是遍地开花。但我在与一些电源生产公司的工程师交流时发现，许多工程师对开关电源的性能、安全性影响极大的晶体管开关时间，很少关注，而往往只关注晶体管的击穿电压、放大等。对晶体管的这种片面理解，往往会导致生产中出现问题时，感到无从下手。下面重点谈谈此问题。
当晶体管工作在开关状态时，首先假设晶体管是处于截止状态（即关闭状态）。当在晶体管的基极注入一足够大的正向电流开始，到完成一次翻转，要经过4个阶段，分别是：
集电极电流从“0”开始增大，升至Icm的10%所需的时间，称为延迟时间，记作td；
集电极电流从Icm的10%开始，升至Icm的90%时所需的时间，称为上升时间，记作tr；
此时，晶体管被认为呈开启状态。注意，此时因输入信号仍维持高电平，，所以晶体管的Ic将继续增大，只要此注入信号维持足够长的时间，晶体管就会进入深饱和状态。当晶体管进入深饱和后，基极电流的增加，对集电极电流将失去控制，仅仅能起维持作用。这一点很重要！这两段时间之和相当于规格书中的开启时间ton.也就是说：
ton=td+tr
当注入信号由上升转为下降，集电极电流将从饱和区退出。集电极电流在基极注入反向电流后，从Icm开始下降，到下降至90%时，所需的时间，称为储存时间，记作ts；
集电极电流从Icm的90%降到10%的Icm所需的时间，称为下降时间，记作tf.
显然，这两段时间之和，就相当于规格书中的关断时间toff.也就是说：
toff=ts+tf.
在这四个时间段里，ts所占用的时间比较长。对电路的影响也比较大。但其它几个时间段如果不给予足够的注意，同样会出大漏子。
在此，给出晶体管一个工作周期的功耗：
A：晶体管截止时的功耗：Poff=Iceo*Vcc*toff/T；
B：晶体管导通时的功耗：Pon=Ic*Vces*ton/T；
C: 晶体管开通过程中的功耗：Pr=1/6T Ic(Vc+2Vces)tr；
D：晶体管关断过程中的功耗：Pf=1/6T Ic(Vc+2Vces)tf。
总功耗Pc=A+B+C+D=Poff+Pon+Pr+Pf
在以上这组公式中，截止功耗和导通功耗都比较好理解。对于开通、关断过程的功耗，没有进行推导，直接采用了在许多专业书籍上推导的结果。有兴趣的可以在介绍这方面原理的书中找到。
以上是从理论上对晶体管的开关状态时的功耗进行了分析。从中可以发现，晶体管的功耗，与晶体管的开关时间直接相关。晶体管工作的物理过程中，我们已知的事实是：晶体管从截止到饱和，经过放大区的时间可以做得很短，也就是说，从晶体管的截止到饱和，只要给晶体管注入足够大的基极电流，晶体管就能很快进入饱和状态。但晶体管要从饱和退回到截止，就不是那么容易了。因ts的存在，使晶体管在经过放大区时，所需的时间很长。晶体管在功耗，在放大区是比较大的。因此，晶体管在转换过程中，此过程中的功耗，起了主要作用。实践中发现，晶体管的ts,对振荡频率的影响比较大。当晶体管起振后，随着晶体管壳温升高，晶体管几乎所有的电参数发生了变化。其中，影响比较大的是放大、和开关参数。放大变化后，对电路所产生的影响，相信工程师们都有体会，但对开关参数变化所引起的后果，则往往很少注意。而晶体管在开关电源应用中的失效，恰恰大部分是因开关时间在高温下的变化率太大而致。我曾做过这方面的实验：用一组放大基本相似、但开关时间不同的晶体管在同样的条件下试验，结果发现，凡是温度异常升高，严重时炸管的，都是tf较大的晶体管。通过反复对比，发现当晶体管用于节能灯时，tf的影响，不如开关电源那么敏感。而当晶体管用于节能灯时，则对ts相当敏感。在此，可以给出试验结论：
晶体管用于节能灯时，ts对灯功率、启动电压相当敏感。在芯片面积小于1平方毫米时，希望ts的取值越大越好，至少要在0.7微秒以上；在芯片面积大于1平方毫米、小于1.84平方毫米时，要求ts的范围在2.5―4.5微秒左右；而当芯片面积大于2平方毫米时，因芯片加工工艺的关系，不能给出统一的标准，只能说靠实验来定了。顺便说一下，芯片面积越大，则ts也就越大。
当晶体管用于开关电源时，如果是线路是采用单管变压器反馈振荡的，则要求tf小于0.7微秒，如果线路采用的是集成电路控制PWM的双管变换线路的，则除了对ts有要求外，对晶体管的tf、td都得加以注意，一定要通过试验得出结论后，才能投产。顺便说一下，tf与BVCEO电压强相关，击穿电压越高，则tf 越大。而且，要使ts减小，可以通过辐照等工艺，使参数满足要求，而辐照，对tf几乎没有影响。所以，在选用晶体管的参数时，不能只考虑某项单一参数，而要进行全面权衡。