晶體管參數(shù)在實(shí)際使用中的意義

做模擬電路的工程師，都有過(guò)使用晶體管(場(chǎng)效應(yīng)管也是晶體管中的一種)、運(yùn)放的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。尤其是在設(shè)計(jì)時(shí)，更會(huì)對(duì)晶體管的一些電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和考量。在測(cè)試時(shí)，許多人對(duì)晶體管電參數(shù)的實(shí)測(cè)值與規(guī)格書(shū)所提供的規(guī)范值，為什么會(huì)有很大差異，感到不可思議。有時(shí)，一些工程師會(huì)用實(shí)測(cè)值來(lái)要求供應(yīng)商，也有一些工程師會(huì)把一些特殊參數(shù)作為常規(guī)參數(shù)進(jìn)行處理。這樣的后果就是整機(jī)產(chǎn)品一致性、重復(fù)性差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，更有甚者是在生產(chǎn)中出現(xiàn)大量損壞電子元器件的異常。此時(shí)，許多工程師都會(huì)把眼光釘住那些損壞的晶體管上，以為是晶體管的質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致的異常。殊不知晶體管的損壞，只是一個(gè)表面現(xiàn)象，而深層次的原因，往往是設(shè)計(jì)師自己造成的。引起這些問(wèn)題的原因有很多，對(duì)工程師而言，在選用元器件時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體器件電參數(shù)的片面理解，或許是個(gè)重要因素。

晶體管的電參數(shù)，在常規(guī)情況下可分為極限參數(shù)、直流參數(shù)(DC)、交流參數(shù)(AC)等。但在實(shí)際的使用中，我發(fā)現(xiàn)還有許多想測(cè)而無(wú)法測(cè)量到的參數(shù)，為使工作方便，我便稱(chēng)其為“功能參數(shù)”。分別述之：

一、極限參數(shù)

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)、最大集電極電流(Icm)、最大集電極耗散功率(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)，投料的最小單位是“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，最小生產(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?？梢韵胂蟪觯谛酒那暗郎a(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)化的考慮是在最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)考慮在最差的情況下，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)?，所有的晶體管測(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。

2、晶體管的最大集電極電流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))，其中Iceo是晶體管的漏電流，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、 集電極最大耗散功率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。所謂集電極最大耗散功率Pcm則是考慮到晶體管的熱阻、最高結(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)，一定要從最壞的處著手分析，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。

二、直流參數(shù)(DC)

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(cè)到的電流，即為被測(cè)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(kāi)路，集電極—發(fā)射極間的漏電流Iceo、發(fā)射極開(kāi)路，集電極—基極間的漏電流Icbo、以及集電極開(kāi)路，基極—發(fā)射極間的漏電流Iebo。此參數(shù)對(duì)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(duì)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(jí)。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(cè)量)時(shí)，一定要注意此參數(shù)對(duì)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(chēng)此晶體管處于飽和狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)射結(jié)對(duì)電流阻礙時(shí)產(chǎn)生的電壓降，稱(chēng)為前向飽和壓降(又稱(chēng)正向壓降)，記為Vbes;集電結(jié)對(duì)電流阻礙時(shí)產(chǎn)生的電壓降，稱(chēng)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(duì)晶體管的控制將失去作用，此時(shí)，集電極—發(fā)射極間的管壓降最小。此參數(shù)對(duì)工程的指導(dǎo)意義是：Vces—限制了晶體管工作時(shí)的動(dòng)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(wèn)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(huì)變大，對(duì)基極注入來(lái)講，Vbes小，導(dǎo)致的結(jié)果是Ib增大，對(duì)晶體管的輸出來(lái)講，Vces小會(huì)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(cè)量Ib的值，用公式

Ic=Iceo+β*Ib(Vce=常數(shù))，其中Iceo是晶體管的漏電流，又稱(chēng)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(duì)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(jí)輸出開(kāi)始，一步一步往前推，一級(jí)一級(jí)往前算，這就是對(duì)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(wèn)題最多的是客戶(hù)在進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)供應(yīng)商所供給晶體管的放大提出疑問(wèn)。在處理此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了對(duì)放大檢測(cè)過(guò)程中的誤區(qū)，在此想通過(guò)解釋?zhuān)勾蠹覍?duì)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)中是最重要的一個(gè)物理控制參數(shù)。測(cè)試時(shí)，除了嚴(yán)格安照產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格要求的測(cè)試條件進(jìn)行外，對(duì)環(huán)境溫度也進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。一般，芯片加工廠(chǎng)測(cè)試工序的溫度控制范圍是22.5℃±0.5℃，而在封裝廠(chǎng)，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(chǎng)的進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)工位，其環(huán)境溫度的控制遠(yuǎn)不如封裝廠(chǎng)這樣講究，在這樣的環(huán)境下檢測(cè)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(shū)范圍的邊緣時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)不合格。對(duì)此，建議整機(jī)廠(chǎng)在對(duì)晶體管的放大進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)該在規(guī)格書(shū)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(cè)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(chǎng)為了降低生產(chǎn)成本，采用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)幾乎所有的晶體管進(jìn)行測(cè)試，并以此來(lái)作為進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，這實(shí)在是對(duì)晶體管放大的理解太膚淺了。根據(jù)我對(duì)數(shù)字萬(wàn)用表的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)晶體管時(shí)所提供的測(cè)試條件是Vce=3V，Ic=0.5~1mA,此測(cè)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(shuō)，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(duì)此，沒(méi)有重復(fù)性可言。

C：對(duì)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(duì)此管子的放大有一個(gè)初步了解。有人說(shuō)，規(guī)格書(shū)不是已經(jīng)提供了嗎?而我以為，規(guī)格書(shū)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(jiàn)得與規(guī)格書(shū)所標(biāo)的測(cè)試條件相同，你所要求的放大，不見(jiàn)得就是規(guī)格書(shū)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(duì)所有品種的晶體管都測(cè)試一遍，從中看看自己的設(shè)定有沒(méi)有問(wèn)題，然后，還要查一下規(guī)格書(shū)中的曲線(xiàn)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(duì)樣機(jī)的檢測(cè)中，要注意晶體管的溫度變化(尤其是功放級(jí))，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(huì)出現(xiàn)。

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(duì)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(jí)以上，則就要對(duì)完成高放功能的晶體管，還會(huì)有噪聲(NF)的要求。對(duì)此類(lèi)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(hào)的頻率達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，晶體管的放大會(huì)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(chēng)為晶體管的截住頻率，又稱(chēng)為特征頻率。

一般，在規(guī)格書(shū)上，都會(huì)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(cè)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(xiàn)性關(guān)系。完全可以用直流方程來(lái)求解其中的點(diǎn)。此參數(shù)對(duì)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，最高工作頻率范圍。

當(dāng)所設(shè)計(jì)的線(xiàn)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(huì)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(duì)PCB板的一些特殊要求。

2、 晶體管的開(kāi)關(guān)參數(shù)

當(dāng)晶體管用于模擬開(kāi)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(wú)論哪種開(kāi)關(guān)，都會(huì)有延遲出現(xiàn)。在規(guī)格書(shū)上，往往會(huì)提供ton、toff的規(guī)范。此參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)三極管來(lái)講，是一組很重要的參數(shù)。在這里，對(duì)此參數(shù)不進(jìn)行專(zhuān)門(mén)說(shuō)明。在開(kāi)關(guān)電源普遍應(yīng)用于各類(lèi)電器時(shí)，各種門(mén)類(lèi)的開(kāi)關(guān)電源，已經(jīng)是遍地開(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能、安全性影響極大的晶體管開(kāi)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(duì)晶體管的這種片面理解，往往會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，感到無(wú)從下手。下面重點(diǎn)談?wù)劥藛?wèn)題。

當(dāng)晶體管工作在開(kāi)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(kāi)始，到完成一次翻轉(zhuǎn)，要經(jīng)過(guò)4個(gè)階段，分別是：集電極電流從“0”開(kāi)始增大，升至Icm的10%所需的時(shí)間，稱(chēng)為延遲時(shí)間，記作td;集電極電流從Icm的10%開(kāi)始，升至Icm的90%時(shí)所需的時(shí)間，稱(chēng)為上升時(shí)間，記作tr;

此時(shí)，晶體管被認(rèn)為呈開(kāi)啟狀態(tài)。注意，此時(shí)因輸入信號(hào)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(hào)維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，晶體管就會(huì)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(duì)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(shū)中的開(kāi)啟時(shí)間ton.也就是說(shuō)：ton=td+tr

當(dāng)注入信號(hào)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(kāi)始下降，到下降至90%時(shí)，所需的時(shí)間，稱(chēng)為儲(chǔ)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(chēng)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(shū)中的關(guān)斷時(shí)間toff.也就是說(shuō)：toff=ts+tf.

在這四個(gè)時(shí)間段里，ts所占用的時(shí)間最長(zhǎng)。對(duì)電路的影響也最大。但其它幾個(gè)時(shí)間段如果不給予足夠的注意，同樣會(huì)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(kāi)通過(guò)程中的功耗：Pr=1/6T Ic(Vc+2Vces)tr; D：晶體管關(guān)斷過(guò)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(duì)于開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程的功耗，沒(méi)有進(jìn)行推導(dǎo)，直接采用了在許多專(zhuān)業(yè)書(shū)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(shū)中找到。

以上是從理論上對(duì)晶體管的開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)間直接相關(guān)。晶體管工作的物理過(guò)程中，我們已知的事實(shí)是：晶體管從截止到飽和，經(jīng)過(guò)放大區(qū)的時(shí)間可以做得很短，也就是說(shuō)，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(guò)放大區(qū)時(shí)，所需的時(shí)間很長(zhǎng)。晶體管在功耗，在放大區(qū)是最大的。因此，晶體管在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，此過(guò)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(duì)振蕩頻率的影響最大。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，影響最大的是放大、和開(kāi)關(guān)參數(shù)。放大變化后，對(duì)電路所產(chǎn)生的影響，相信工程師們都有體會(huì)，但對(duì)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中的失效，恰恰大部分是因開(kāi)關(guān)時(shí)間在高溫下的變化率太大而致。我曾做過(guò)這方面的實(shí)驗(yàn)：用一組放大基本相似、但開(kāi)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(guò)反復(fù)對(duì)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(kāi)關(guān)電源那么敏感。而當(dāng)晶體管用于節(jié)能燈時(shí)，則對(duì)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(duì)燈功率、啟動(dòng)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(shuō)靠實(shí)驗(yàn)來(lái)定了。順便說(shuō)一下，芯片面積越大，則ts也就越大。

當(dāng)晶體管用于開(kāi)關(guān)電源時(shí)，如果是線(xiàn)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(xiàn)路采用的是集成電路控制PWM的雙管變換線(xiàn)路的，則除了對(duì)ts有要求外，對(duì)晶體管的tf、td都得加以注意，一定要通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論后，才能投產(chǎn)。順便說(shuō)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(guò)輻照等工藝，使參數(shù)滿(mǎn)足要求，而輻照，對(duì)tf幾乎沒(méi)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。

講到這里，基本上就把我對(duì)工作實(shí)際中，對(duì)晶體管參數(shù)的考慮要點(diǎn)，全部說(shuō)完了。大家在做工程中，肯定還有許多的體會(huì)和認(rèn)識(shí)。這是在我們上課時(shí)，教室里學(xué)不到的體會(huì)。在這里，我不談什么理論的出處，如何推導(dǎo)。因?yàn)槲蚁耄w管基礎(chǔ)理論的書(shū)已經(jīng)出得夠多的了。但，要提高自己的業(yè)務(wù)能力，光靠讀書(shū)，是沒(méi)有用。在此，僅作為拋磚引玉吧。

四、對(duì)一些異?，F(xiàn)象的分析思路和實(shí)例

了解晶體管的電參數(shù)，是為了用好晶體管。什么叫用好晶體管?是一個(gè)智者見(jiàn)智，仁者見(jiàn)仁的問(wèn)題，我相信不會(huì)有唯一的答案。我想，作為電子應(yīng)用工程師，除了對(duì)晶體管有所了解，還必須對(duì)其它的電子元器件有所了解。在你設(shè)計(jì)的電路中，就是你對(duì)這些元器件理解的組合。在一個(gè)電路中，讓晶體管工作在最合適的工作點(diǎn)上，發(fā)揮著最佳性能，在完成所希望功能的同時(shí)，有較高的可靠性，對(duì)晶體管而言，基本就算用好了。實(shí)際上，晶體管只是我們通常使用的電子元器件中的一類(lèi)，所有電子產(chǎn)品，都是各類(lèi)電子元器件的有機(jī)組合體。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)一件電子產(chǎn)品時(shí)，就是把這些電子器件按人們的要求進(jìn)行組合。因各人對(duì)電子器件的理解不同，對(duì)同一類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念不同，就導(dǎo)致了功能各異、性能各異的電子產(chǎn)品。但從原則性角度上講，我認(rèn)為最重要的是：要從“系統(tǒng)”的角度來(lái)看待在我們手中做出的產(chǎn)品。下面談?wù)勎矣H身經(jīng)歷過(guò)的幾件事。

一、在我負(fù)責(zé)收音機(jī)電路的售后服務(wù)時(shí)，曾碰到過(guò)這樣一種現(xiàn)象，生產(chǎn)線(xiàn)上流出的成品，在入倉(cāng)庫(kù)，抽檢中出現(xiàn)壞機(jī)，壞機(jī)的現(xiàn)象是調(diào)頻靈敏度下降，噪聲增大。經(jīng)查，是主IC的調(diào)頻輸入端已損壞。失效率在3%以上。對(duì)此，分析了IC芯片、組裝工藝、生產(chǎn)線(xiàn)的狀態(tài)，均無(wú)異常。

對(duì)IC芯片進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)，在輸入端有電場(chǎng)擊穿的痕跡。而對(duì)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行檢查、跟蹤，得出了都在該公司的質(zhì)量控制范圍的結(jié)論。而且，當(dāng)時(shí)的天氣并不是很干燥，找出這種高壓電脈沖是從哪里來(lái)的，就成了當(dāng)務(wù)之急。因?yàn)閱?wèn)題是在入庫(kù)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的，所以，就從最后一道工序往前走。走了幾遍，沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。這時(shí)我就對(duì)每道工序都提了個(gè)為什么——“此工序要達(dá)到的結(jié)果是什么”，然后再問(wèn)一下自己，“此種操作，會(huì)引起IC的損傷嗎”?

帶著這樣的心情再走在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，果然就有收獲了：最后一道工序，是包裝，而在包裝前，該公司為了收音機(jī)表面的清潔，幾乎對(duì)每臺(tái)機(jī)都用一種有機(jī)溶劑，進(jìn)行了擦試。用這種工藝對(duì)外接的拉桿天線(xiàn)進(jìn)行處理進(jìn)，產(chǎn)生的靜電則由于沒(méi)有泄放回路，而保留在整機(jī)中。當(dāng)這些電荷通過(guò)IC的高放電路對(duì)地(對(duì)電源同)形成泄放時(shí)，而此IC的高放，是整塊電路中最薄弱的部分，所以就很可能使此IC損壞。想通后，就建議在此IC的高放輸入端接入了雙向保護(hù)二極管，問(wèn)題得到解決。

二、在某電源整機(jī)廠(chǎng)，在相同的輸出功率情況時(shí)，用晶體管Pcm較小(即芯片面積相對(duì)較小)的管子正常，而用Pcm較大(即芯片面積相對(duì)較大)的晶體管卻大量損壞的現(xiàn)象。解剖這些失效的晶體管，都是過(guò)功率型損壞。在該公司現(xiàn)場(chǎng)了解到的情況使我大吃一驚：

1.振蕩頻率達(dá)到了75KHZ以上，部分在90KHZ;

2.該公司為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)所有整機(jī)都進(jìn)行超功率1.2倍的高溫老化。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，此時(shí)，晶體管的Pcm已經(jīng)超出了規(guī)格書(shū)的數(shù)據(jù)。

對(duì)此，我作了如下解釋?zhuān)?/p>

1.雙極型晶體管在用于開(kāi)關(guān)電源時(shí)，受ts、tf等參數(shù)的影響，其振蕩頻率不能超過(guò)50KHZ，否則，晶體管在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，因通過(guò)放大區(qū)的時(shí)間太長(zhǎng)，晶體管的功耗會(huì)明顯增大，加上此電源又是處于密封狀態(tài)，在這些綜合因素的影響下，會(huì)使晶體管的失效率明顯上升;

2.考核時(shí)(尤其是在高溫環(huán)境下)，不能讓晶體管工作在過(guò)功率狀態(tài)，至于說(shuō)，為了提高整機(jī)的可靠性而加大老化功率，則更是無(wú)從談起，因?yàn)?，老化只是一種工藝篩選的手段，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，只能起到驗(yàn)證的作用。而且，在高溫環(huán)境中，對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)功率老化，有可能使正常的晶體管受損，反而降低了產(chǎn)品的可靠性。

3.綜合這些因素，我以為，只要使用這種方案，早晚要出事。所以當(dāng)時(shí)就給出了兩個(gè)方案：(1)客戶(hù)改線(xiàn)路，至少要把考核的功率降下來(lái);(2)改供應(yīng)商。因?yàn)槲夜井a(chǎn)品的性能達(dá)不到該整機(jī)廠(chǎng)的要求。

此例給我一個(gè)啟示：工程師在設(shè)計(jì)東西時(shí)，除了對(duì)整機(jī)要有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)外，對(duì)電子元器件也要有正確的認(rèn)識(shí)。不然，很可能是好心辦壞事。

三、某公司在一款交換機(jī)的電源制作中，出現(xiàn)輸出效率偏低的異常。一般，開(kāi)關(guān)電源的振蕩頻率在35—50KHZ，此時(shí)常用肖特基管或快恢復(fù)二極管作為整流二極管(普通整流二極管的工作頻率小于1000HZ)。由于此電源的開(kāi)路電壓較高，就選用了快恢復(fù)二極管(國(guó)產(chǎn)肖特基二極管的最高反向擊穿電壓小于200V)。對(duì)此，我認(rèn)為是整流二極管的工作效率不夠而引起。但因沒(méi)有檢測(cè)設(shè)備，只能把這些異常的二極管帶回公司進(jìn)行測(cè)試。

首先，二極管的所有直流參數(shù)全部正常，但要對(duì)二極管測(cè)試交流參數(shù)，則必須在專(zhuān)用測(cè)試儀上進(jìn)行。而此類(lèi)設(shè)備，一般在非專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家，是不會(huì)有的。當(dāng)時(shí)，考慮到普通的整流二極管與快恢復(fù)二極管肯定存在著某些差異，而要檢測(cè)這類(lèi)差異的，只有一臺(tái)電容測(cè)試儀。于是就對(duì)比檢測(cè)了普通整流二極管4007與107之間的結(jié)電容大小。發(fā)現(xiàn)反饋樣品與4007的結(jié)電容量值幾乎相同，而與公司庫(kù)存快恢復(fù)二極管的結(jié)電容有明顯的差異。于是得出了可能是供應(yīng)商在發(fā)貨中出現(xiàn)了混料的結(jié)論。把這些客戶(hù)的反饋樣品交供貨商進(jìn)行檢測(cè)，得到了證實(shí)。

此事給我的啟示是：只要我們對(duì)一種元器件有了正確的理解，就能從特性上找出差異，對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題，也就可以做出正確的判斷。

回憶本人幾十年的工作經(jīng)歷，深深感到，當(dāng)我把所有的事，都從系統(tǒng)的角度上進(jìn)行分析考慮時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)自己都意想不到的飛躍。而這個(gè)飛躍，是靠日積月累的動(dòng)手、體會(huì)、再動(dòng)手、總結(jié)而得到的。想做一個(gè)工程師，就要有一種刨根問(wèn)底的精神。并且一定要自己總結(jié)。只有這樣，才能把書(shū)本上的知識(shí)，變成自己的知識(shí)。相信大家都有這方面的體會(huì)。我想，如果把這些東西總結(jié)出來(lái)，匯編成冊(cè)，一定是本好書(shū)。大家一起努力吧。