晶体管参数在实际使用中的意义 (转帖）

晶体管参数在实际使用中的意义 (转帖）

无意中在网上看到的转过来希望有人用得上，原帖的连接附后。


做模拟电路的工程师，都有过使用晶体管（场效应管也是晶体管中的一种）、运放的经验和体会。尤其是在设计时，更会对晶体管的一些电参数进行测试和考量。在测试时，许多人对晶体管电参数的实测值与规格书所提供的规范值，为什么会有很大差异，感到不可思议。有时，一些工程师会用实测值来要求供应商，也有一些工程师会把一些特殊参数作为常规参数进行处理。这样的后果就是整机产品一致性、重复性差，严重时还会出现达不到设计指标，更有甚者是在生产中出现大量损坏电子元器件的异常。此时，许多工程师都会把眼光钉住那些损坏的晶体管上，以为是晶体管的质量问题，导致的异常。殊不知晶体管的损坏，只是一个表面现象，而深层次的原因，往往是设计师自己造成的。引起这些问题的原因有很多，对工程师而言，在选用元器件时，对半导体器件电参数的片面理解，或许是个重要因素。

晶体管的电参数，在常规情况下可分为极限参数、直流参数（DC）、交流参数（AC）等。但在实际的使用中，我发现还有许多想测而无法测量到的参数，为使工作方便，我便称其为“功能参数”。分别述之：

一、极限参数

所谓极限参数，是指在晶体管工作时，不管因何种原因，都不允许超过的参数。这些参数常规的有三个击穿电压（BV）、最大集电极电流（Icm）、最大集电极耗散功率（Pcm）、晶体管工作的环境（包括温度、湿度、电磁场、大气压等）、存储条件等。在民用电子产品的应用中，基本只关心前三个。

1、  晶体管的反向击穿电压

   定义：在被测PN结两端施加连续可调的反向直流电压，观察其PN结的电流变化情况，当PN结的反向电流出现剧烈增加时，此时施加到此PN结两端的电压值，就是此PN结的反向击穿电压。

每个晶体管都有三个反向击穿电压，分别是：基极开路时集电极—发射极反向击穿电压（BVceo）、发射极开路时集电极—基极反向击穿电压（BVcbo）和集电极开路时基极—发射极反向击穿电压。

此电参数对工程设计的指导意义是：决定了晶体管正常工作的电压范围。

由此电参数的特性可知，当晶体管在工作中出现击穿状态，将是非常危险的。因此，在设计中，都给晶体管工作时的电压范围，留有足够的余量。实际上，当晶体管长期工作在较高电压时（晶体管实测值的60%以上），其晶体管的可靠性将会出现数量级的下降。有兴趣的可以参考《电子元器件降额准则》。

许多公司在对来料进行入库检验时发现，一些品种的反向击穿电压实测值要比规格书上所标的要大出许多。这是怎么回事呢？

晶体管在生产制造过程中，与一些我们常见的生产完全不一样。在晶体管的生产过程中，可以分成二大块：芯片制造和封装。在工程分类中，习惯把芯片制造统称为“前道”，而把封装行业统称为“后道”。在前道生产中，从投料开始选原材料，到芯片出厂，一切控制数据，给出的都是范围。芯片在正常生产时，投料的最小单位是“编号批”，每批为24或25片4英寸到8英寸直径的园片。就以4寸片为例，每片可出合格的晶体管只数少则上千，多则可近10万。在实际生产中，最小生产单位是“扩散批”，一个扩散批所投的园片从150片到250片之间。可以想象出，在芯片的前道生产中，每次投料，对以单只来计算的晶体管而言，是一个什么样的数量概念。不说别的，要让一个扩散批所有的材料，具有相同的电特性（这里，也可以说是硅片的电阻率），是不可能的。加上硅片中，不可避免的会有一些固有的缺陷（半导体晶格的层错和位错），使得在几乎相同环境中生产出的同一品种的晶体管，不可能具有完全相同的电特性。这样只能给出一个大家都能接受的范围，这就是产品规格书。

为了提高生产效率，现在许多芯片厂都把芯片的“免测率”作为生产线工序能力的一项重要考核指标。所谓的“免测”，是指产品的参数靠设计、工序控制来达到，加工结束后，通过抽测部分相关点的参数，来判断此片的质量情况。当此片的抽测合格率在96%以上时，就把此片芯片列入“免测片”。要使晶体管芯片达到免测试，就必须对其中的一些参数进行“余量放大”。而晶体管的反向击穿电压就是重点之一。为了提高晶体管的反射击穿电压，芯片投料时，就会对材料进行优化，优化的考虑是在最差的工艺加工情况下，所生产出的晶体管反向击穿电压也要比规格书高10~20%，而在生产控制时，为了达到生产工艺设计时的指标，又会考虑在最差的情况下，使产品能够达到设计要求，这样，就使已经被放大过一次的指标再次被大10~20%。这样，就使原来只要求反向击穿电压达到20~30V的晶体管，在实测时，部分就能达到60V以上，甚至更高。这就是为什么有时一些晶体管的反向击穿电压实测值会远大于规格书的原因。尽管一些晶体管的反向击穿电压值远大于规格书，那么，是否就可以以实测值来作为使用的依据呢？回答是否定的。

这是因为，所有的晶体管测试程序，都是以规格书上所提供的参数范围，来作为差别晶体管合格与否的标准。对反向击穿电压而言，只要比规格书上所规定的值大，就判为合格。如果你测量到的反向击穿电压要远高于规格书，不要以为供应商以后发给你的货，都是具有与此相同的电压特性，供应商所提供的商品，永远只会承诺以规格书为准，也只能是以规格书为准提供商品。规格书上所承诺的，是实际的，而其它，都是虚的。因此，建议在设计选型时，一定要以规格书为准，并留下足够的余量，而不是以实物的测试值为准。

在一些高反压晶体管的规格书上，有些反向击穿电压以BVcer和BVcbr来表述。此种表述的含义是：

BVcer——基极与发射极之间，接有一只KΩ量纲的电阻，其它测试原理、测试条件与BVceo相同。同样，BVcbr在测试晶体管的C-B结的反向击穿电压时，其晶体管的发射极不是悬空，而是通过一只KΩ量纲的电阻接到“零电位”。晶体管的反向击穿电压高低的排列是： BVcbo≥BVcbr>BVcer>BVceo。

晶体管的最大集电极电流Icm
晶体管的最大集电极电流 Icm
定义：晶体管处于共发射极工作时，集电极—发射极之间的电压为一定值，增加晶体管的Ic，随着Ic的增加，晶体管的放大会减小。当晶体管的放大降到是正常时（测试条件）的一半时，此时的Ic就称为Icm。

此电参数对工程设计的指导意义是：决定了晶体管正常工作的电流范围。
此电参数与放大有关。从放大（此处所说的放大是指晶体管在共发射极电路时的Hfe。在没有特别说明时，都是指此）的公式上可知：

Ic=Iceo+β*Ib————（Vce=常数）

Iceo————晶体管的漏电流，又称穿透电流

晶体管在通电后，总有漏电流（Iceo）的存在。而且Iceo与温度强相关。因此，此参数也与温度强相关。

双极型晶体管是电流控制器件。在设计时，对此项参数的考虑要点是必须考虑晶体管的工作环境温度。随着温度升高，放大升高，使晶体管的Ic增大，当进入恶性循环后，晶体管会很快失效。

在设计时，整机中Ic的实测值，不要超过规格书所标的60%。如果超过此值，同样会使晶体管的可靠性出现数量级的下降。对此可以从硅材料的导电特性（趋边效应）中，找到答案。

3、  集电极最大耗散功率Pcm

定义：晶体管工作时，施加在集电极—发射极之间的电压和流过该晶体管集电极电流的乘积，即为此晶体管的集电极耗散功率。所谓集电极最大耗散功率Pcm则是考虑到晶体管的热阻、最高结温等综合因素，以文字形式，规定的值，此数值由规格书提供。

晶体管的Pcm除了与芯片面积有关外，还与封装形式有关。一般情况下，封装为TO-92的，Pcm<650mW，封装为TO-126的，Pcm<1.25W，封装为TO-220的，Pcm<2W。当芯片采用TO-220的封装时，基本就与芯片面积无关了。需要说明的是，在这里的说的Pcm，都是不带散热片的“裸管”。

此电参数对工程设计的指导意义是：决定了晶体管正常工作的功率范围。
需要说明的是，Pcm是无法进行测量的，只能靠设计和工艺保证。如果从单一的极限参数来讲，BV（反向击穿）是可逆的，即降低电压，晶体管仍能恢复原来的特性；瞬间的集电极电流超过Icm了，晶体管也就是放大变差而已。但对Pcm就不是了，如果晶体管工作时的Pc超过了Pcm，那怕是瞬间（毫秒级）的，则晶体管也很可能会永久失效，至少会使P-N结受损，这样，会导致整机的可靠性大大下降。我在进行客户服务的过程中，此类事遇到过多次。

遇到这种情况，建议要首先计算一下晶体管的功率。从Pcm的安全区来讲，设计时不要超过50%为好。现在，许多客户在使用晶体管时，往往都把管子的余量用足了，我以为，这是工程师对产品不负责任的表现。要知道，晶体管的余量是分段、分级的，设计、工艺所设定的余量，是留给产品本身的。而且，既然是余量，就会有大有小，而你拿到的样品，则是随机的，如果在这里把样品作为蓝本，则就是埋下了一颗“定时**”，不知什么时候会让你手忙脚乱。所以我们在设计产品时，也应该给客户留下足够的余量，这是我们工程师的职责。

对于Pcm的设计，一定要从最坏的处着手分析，同时，还要考虑环境温度的影响。否则，很可能出现意想不到的异常。

Pcm对半导体器件的限制，可推广到所有的半导体产品。

二、直流参数（DC）

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—发射极间的管压降最小。

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，所碰到问题最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，在前道生产中是最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，最高工作频率范围。
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所占用的时间最长。对电路的影响也最大。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，在放大区是最大的。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,对振荡频率的影响最大。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，影响最大的是放大、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。
讲到这里，基本上就把我对工作实际中，对晶体管参数的考虑要点，全部说完了。大家在做工程中，肯定还有许多的体会和认识。这是在我们上课时，教室里学不到的体会。在这里，我不谈什么理论的出处，如何推导。因为我想，晶体管基础理论的书已经出得够多的了。但，要提高自己的业务能力，光靠读书，是没有用。在此，仅作为抛砖引玉吧。
四:对一些异常现象的分析思路

四:对一些异常现象的分析思路和实例

了解晶体管的电参数，是为了用好晶体管。什么叫用好晶体管？是一个智者见智，仁者见仁的问题，我相信不会有唯一的答案。我想，作为电子应用工程师，除了对晶体管有所了解，还必须对其它的电子元器件有所了解。在你设计的电路中，就是你对这些元器件理解的组合。在一个电路中，让晶体管工作在最合适的工作点上，发挥着最佳性能，在完成所希望功能的同时，有较高的可靠性，对晶体管而言，基本就算用好了。实际上，晶体管只是我们通常使用的电子元器件中的一类，所有电子产品，都是各类电子元器件的有机组合体。因此，我们在设计一件电子产品时，就是把这些电子器件按人们的要求进行组合。因各人对电子器件的理解不同，对同一类产品的设计理念不同，就导致了功能各异、性能各异的电子产品。但从原则性角度上讲，我认为最重要的是：要从“系统”的角度来看待在我们手中做出的产品。下面谈谈我亲身经历过的几件事。

一、在我负责收音机电路的售后服务时，曾碰到过这样一种现象，生产线上流出的成品，在入仓库，抽检中出现坏机，坏机的现象是调频灵敏度下降，噪声增大。经查，是主IC的调频输入端已损坏。失效率在3%以上。对此，分析了IC芯片、组装工艺、生产线的状态，均无异常。

对IC芯片进行解剖后发现，在输入端有电场击穿的痕迹。而对生产的现场，进行检查、跟踪，得出了都在该公司的质量控制范围的结论。而且，当时的天气并不是很干燥，找出这种高压电脉冲是从哪里来的，就成了当务之急。因为问题是在入库检查时发现的，所以，就从最后一道工序往前走。走了几遍，没发现问题。这时我就对每道工序都提了个为什么——“此工序要达到的结果是什么”，然后再问一下自己，“此种操作，会引起IC的损伤吗”？

带着这样的心情再走在生产现场，果然就有收获了：最后一道工序，是包装，而在包装前，该公司为了收音机表面的清洁，几乎对每台机都用一种有机溶剂，进行了擦试。用这种工艺对外接的拉杆天线进行处理进，产生的静电则由于没有泄放回路，而保留在整机中。当这些电荷通过IC的高放电路对地（对电源同）形成泄放时，而此IC的高放，是整块电路中最薄弱的部分，所以就很可能使此IC损坏。想通后，就建议在此IC的高放输入端接入了双向保护二极管，问题得到解决。

二、在某电源整机厂，在相同的输出功率情况时，用晶体管Pcm较小（即芯片面积相对较小）的管子正常，而用Pcm较大（即芯片面积相对较大）的晶体管却大量损坏的现象。解剖这些失效的晶体管，都是过功率型损坏。在该公司现场了解到的情况使我大吃一惊：
1.振荡频率达到了75KHZ以上，部分在90KHZ；
2.该公司为了提高产品的质量，对所有整机都进行超功率1.2倍的高温老化。经现场计算，此时，晶体管的Pcm已经超出了规格书的数据。

对此，我作了如下解释：
1.双极型晶体管在用于开关电源时，受ts、tf等参数的影响，其振荡频率不能超过50KHZ，否则，晶体管在转换过程中，因通过放大区的时间太长，晶体管的功耗会明显增大，加上此电源又是处于密封状态，在这些综合因素的影响下，会使晶体管的失效率明显上升；
2.考核时（尤其是在高温环境下），不能让晶体管工作在过功率状态，至于说，为了提高整机的可靠性而加大老化功率，则更是无从谈起，因为，老化只是一种工艺筛选的手段，对产品设计时，只能起到验证的作用。而且，在高温环境中，对电子产品进行过功率老化，有可能使正常的晶体管受损，反而降低了产品的可靠性。

3.综合这些因素，我以为，只要使用这种方案，早晚要出事。所以当时就给出了两个方案：
1、客户改线路，至少要把考核的功率降下来;
2、改供应商。因为我公司产品的性能达不到该整机厂的要求。

此例给我一个启示：工程师在设计东西时，除了对整机要有一个正确的认识外，对电子元器件也要有正确的认识。不然，很可能是好心办坏事。

三、某公司在一款交换机的电源制作中，出现输出效率偏低的异常。一般，开关电源的振荡频率在35—50KHZ，此时常用肖特基管或快恢复二极管作为整流二极管（普通整流二极管的工作频率小于1000HZ）。由于此电源的开路电压较高，就选用了快恢复二极管（国产肖特基二极管的最高反向击穿电压小于200V）。对此，我认为是整流二极管的工作效率不够而引起。但因没有检测设备，只能把这些异常的二极管带回公司进行测试。

首先，二极管的所有直流参数全部正常，但要对二极管测试交流参数，则必须在专用测试仪上进行。而此类设备，一般在非专业生产厂家，是不会有的。当时，考虑到普通的整流二极管与快恢复二极管肯定存在着某些差异，而要检测这类差异的，只有一台电容测试仪。于是就对比检测了普通整流二极管4007与107之间的结电容大小。发现反馈样品与4007的结电容量值几乎相同，而与公司库存快恢复二极管的结电容有明显的差异。于是得出了可能是供应商在发货中出现了混料的结论。把这些客户的反馈样品交供货商进行检测，得到了证实。

此事给我的启示是：只要我们对一种元器件有了正确的理解，就能从特性上找出差异，对所出现的问题，也就可以做出正确的判断。

回忆本人几十年的工作经历，深深感到，当我把所有的事，都从系统的角度上进行分析考虑时，出现了一个自己都意想不到的飞跃。而这个飞跃，是靠日积月累的动手、体会、再动手、总结而得到的。想做一个工程师，就要有一种刨根问底的精神。并且一定要自己总结。只有这样，才能把书本上的知识，变成自己的知识。相信大家都有这方面的体会。我想，如果把这些东西总结出来，汇编成册，一定是本好书。大家一起努力吧。
在前面所写的《晶体管参数在实际使用中的意义》中，提到了晶体管的饱和压降问题，有网友对此问题提出了不同意见。当时，没太在意。过后对此问题又重新思考一下，同时，在网上看看对问题的看法，结果发现，许多的理解是错误的，一些解释也是不完全的。因此，想对此问题重点说说。如有不同意见，欢迎讨论。

众所周知，一个普通的双极型晶体管有二个PN结、三种工作状态（截止、饱和、放大）和四种运用接法（共基、共发、共集和倒置）。对这两个PN结所施加不同的电位，就会使晶体管工作于不同的状态：两个PN结都反偏——晶体管截止；两个PN结都导通——晶体管饱和：一个PN结正偏，一个PN结反偏——晶体管放大电路（注意：如果晶体管的发射结反偏、集电结正偏，就是晶体管的倒置放大应用）。要理解晶体管的饱和，就必须先要理解晶体管的放大原理。

从晶体管电路方面来理解放大原理，比较简单：晶体管的放大能力，就是晶体管的基极电流对集电极电流的控制能力强弱。控制能力强，则放大大。但如果要从晶体管内部的电子、空穴在PN结内电场的作用下，电子、空穴是如何运动的、晶体管的内电场对电子、空穴是如何控制的等一些物理过程来看，就比较复杂了。

对这个问题，许多教课书上有不同的描述。我对此问题的理解是：当晶体管处于放大状态时，基极得到从外电源注入的电子流，部分会与基区中的空穴复合，此时产生的复合电流，构成了基极电流的主体。由于此时晶体管是处于放大状态，故集电结处于反偏。又因集电结的反偏，就在此PN结的内部，就形成了一个强电场，电场的方向由集电极指向基极，即集电极为正，基极为负。也就是说，在此PN结（集电结）联接集电极的一端，集中了大量带正电的空穴。当从基极注入的电子流进入基区后，一部分与基区内部的空穴进行了复合，而大部分电子则在强电场的作用下，被“拉”到了集电极，这种被电场“拉”到集电极的电子流，构成了集电极电流的主要组成部分。由于从基极注入的电子流，只有很少一部分在基区被复合，大部分电子是在集电结的强电场的作用下，集中到了集电极，构成了集电极电流的主体，所以，此时的集电极电流要远大于从基极注入的电流，这就是晶体管放大功能的物理模型。此时，是以NPN型晶体管进行举例。如果是PNP型晶体管，则只要把晶体管的极性由正换成负就行。

如果要从基极电流、集电极电流、发射极电流的组成、流动，PN结的能级等等方面来讲清晶体管的放大机理，就更复杂了。这在许多专业的教课书都有解释。

现在的问题是：如果增大晶体管基极的电流注入，晶体管还能工作在放大区吗？如果不能，则晶体管会从放大状态，向什么状态过渡？另外，基极电流的注入，能不能无限增加？也就是说，晶体管对基极电流有限制吗？限制的条件是什么？这就要从晶体管的放大状态，进入另一个状态的——饱和状态的讨论。在下面的讨论中，以共发射极电路进行。其它形式的放大电路，都可以用这种方法进行。

众所周知，从晶体管的发射极、基极和集电极电位的关系中，可以非常方便地对晶体管的工作状态作出判断。对处于共发射极放大的NPN型晶体管而言，集电极电位>基极电位>发射极电位时，晶体管工作于放大状态。随着基极注入电流的增大，流出该管的集电极电流也就增大。此时流过负载电阻Rc的电流同时增加。此时，因晶体管工作于放大状态，故晶体管的集电极电流可用由下式表示：

Ic=Iceo+β*ib

当忽略晶体管的反向漏电流Iceo时，

Ic≈β*ib

可见，随着基极电流的增加，集电极电流以基极电流的β倍同步增加。此时，串于集电极回路的电阻Rc上的压降，也就随着Ic增大而增大。因晶体管的集电极电位Vce=电源电压减去集电极Rc上的压降，即

Vce=Vc—Ic*Rc；

对于硅材料组成的双极型晶体管来讲，PN结的正向导通电压为0.7V，因此一般在工程中认为：当基极注入的电流，让晶体管的Ic与Rc的积满足下列公式时

（Vce-Ic*Rc）-Vb≦0V（注意：此时集电结近似零偏压，已不是原来的反偏状态了）

式中：Vce为晶体管集电极——发射极间的电压，

Vb为晶体管基极的电压。

就认为此晶体管已开始进入饱和状态。但因这时晶体管的Ic仍能随着Ib的增大而增大，只是已不符合Ic=Iceo+β*ib而已。这就是在工程中常说的“晶体管处于临界饱和状态”，又称“临界工作状态”。

此时如果继续加大基极的注入电流，晶体管的集电极电位将进一步降低，当出现晶体管的基极注入已不能使晶体管的Ic随之增大时（即（Vce-Ic*Rc）-Vb=常数时），我们就称此晶体管“进入深饱和状态”。此时，晶体管的基极电位为最高（此现象，对N-P-N晶体管而言。如果是P-N-P型晶体管，则只要在所有电源前加一负号即可得出相同的结论），即晶体管的两个PN结均处于正偏状态。

由此可以得出晶体管饱和的定义：当晶体管的两个PN结均处于正偏时，此晶体管就处于饱和状态。

在实际的放大应用中，如果放大电路是用于小信号放大，只要晶体管的静态工作点设置正确，晶体管一般不会进入饱和区。但如果晶体管放大电路处理的是信号幅值较大的信号，例音频功放的输出级，则晶体管极有可能进入饱和区。此时，就会在输出波形上出现“削顶”现象。这就是因输入信号的幅值太高，晶体管进入饱和区后，对信号失去放大作用，同时对信号产生限幅作用后的结果。

由此可得出第一个问题的答案：随着基极电流的增加，晶体管的工作状态将由放大区向饱和区过渡，当基极注入的电流达到一定程度时，晶体管的饱和程度将加深。最后出现无论基极电流怎么增加，集电极电流将维持不变，此时，晶体管进入深饱和状态。

在以上叙述中，没有提到电流的量纲问题。也就是说，晶体管在小电流工作时，同样会出现饱和状态。实际上，晶体管的静态工作点设置偏左上方时，也就是当电路的Vc较低、Rc较大时，晶体管就较容易进入饱和状态。也就是说，晶体管工作时的动态范围与所设置的晶体管工作点密切相关，而与晶体管的能流过多大的电流无关。

需要指出的是：在晶体管电路中，无论改变电路中的哪个参数，都会对晶体管的工作点产生影响。对此，有兴趣的可以自己计算和验证。

这里谈的饱和状态，是晶体管在工作中的一种物理特性。也就是说，晶体管的饱和状态，是晶体管的一种特性，此特性与晶体管的Icm无关。晶体管的Icm是不能随外电路的设计而改变的，换句话说，晶体管的Icm对应用者来讲，是使用前就已由晶体管本身所决定的一项与晶体管安全使用密切相关的参数，而晶体管的饱和状态，则是由外电路所提供的条件决定的。晶体管在饱和工作时，对晶体管的可靠性不一定会产生不良影响。例音频功放最大输出是在输出波形的失真达到10%时测试的。此时用示波器观察，可见输出波形已出现严重的削顶。

在前面的讨论中曾提到，加大晶体管的基极注入电流，能使晶体管从放大区向饱和区过渡。基极电流能任意加大吗？回答是否定的。我查了一下现在的一些晶体管规格书，在极限参数这一栏里，许多功率型晶体管都增加了“最大基极电流”这一项。对此参数为什么要进行定义？其理由是显而易见的。我想大概有以下几个原因：

1.晶体管是电流控制型器件，从晶体管的结构上讲，基极的内引线是晶体管中最细的。这就决定了晶体管基极的电流容量是最小的。在实践中，也感到晶体管的发射结是比较脆弱的：发射结的反向击穿电压较低，基极电流不能过大，是发射结在使用中应考虑的问题之一。

2.晶体管导通时，其基极电流的组成又是最复杂的，在《半导体器件可靠性》这本书中，有对基极电流的详细描述，现摘录如下：

“硅平面晶体管，基极电流成分是相当复杂的，当晶体管正常工作时，组成基极电流的共有十一种成份：1.基极总电流，2.发射区少子的复合和存贮电流，3.发射结势垒产生-复合电流，4.发射结附近的产生-复合电流，5.发射结电容的位移电流，6.基区少子的复合和存贮电流，7.集电区少子的复合和存贮电流，8.集电结势垒萄产生-复合电流，9.集电结电容的位移电流，10.发射区少子的扩散和漂移电流，11.集电区少子的扩散和漂移电流。”

“这十一种基极电流成份均与温度有关。正因为这样，在晶体管参数中，凡是与基极电流Ib有关的参数，随温度变化一般均比较复杂，很难找到准确的定量关系，其原因就在于，对于不同结构，不同工艺制成的不同类型的晶体管，这些成份的温度关系是不一样的”。

“上述各基极电流分量在不同工作条件下或不同结构的晶体管中，所占的比重及其作用也是不同的。比如对微功耗晶体管，其工作电流往往是微安数量级，所以发射结势垒的产生-复合电流及发射结附近表面的产生复合电流占重要地位。而对一般晶体管只有工作在小电流区时，此二项电流成份才予以注意。再如集电区少子复合和存贮电流在线性放大区与总电流相比可以忽略，而在饱和区则是基极电流的主要组成部分。另外，两个结的位移电流只有在调频使用条件下才起作用等等”。

在该书中，同时给出了PN结在导通时的温度变化趋势，现只引用结果：“对于硅PN结，当保持正向电流不变时，结温每升高1℃，正向压降低2mV；而当保持正向压降不变时，温度每升高1℃，正向电流增加7.8%。换言之，PN结正向压降具有负温度系数，而正向电流具有正温度系数。正是PN结的这个基本温度关系导致了某些结型器件（例如双极型功率晶体管、可控硅整流器、功率开关二极管以及雪崩二极管等）的热不稳定性，甚至导致热失效。

我想，这可能就是某些功率器件要给出最大基极电流的主要原因。

讨论晶体管的饱和特性，是为了更好地理解晶体管的一项直流参数饱和压降Vces。

晶体管处于饱和状态时，可近似看成是开关处于开启状态。这与直接导通是有区别的。因为，所有的半导体模拟开关，永远做不到在开启时完全与导线联通完全相等。其原因不说自明。在处于晶体管饱和状态时，集电极与发射极之间的电压降，在工程上称为“反向饱和压降”，记作：Vces；而把基极与发射极之间的电压降称为“正向饱和压降”，记作：Vbes。饱和压降是电流的函数，且与电流成正比。当晶体管用于放大电路时，饱和压降对放大电路的动态范围有影响，这在音频功放中尤其明显，当所选晶体管的电流较小时，其不失真输出功率受饱和压降的影响，很难达到设计要求。此时如采用提高电源电压的方案，则就可能会出现晶体管Pcm的超范围使用，结果使整机的可靠性下降。因此在对音频功放的晶体管选型时饱和压降是一个很重要的参数。

此问题在正常使用中，同样重要。例有些生产玩具的公司，在驱动电机时，控制电路采用两对功率晶体管，接成全桥形式。这种用法，在原理上是正确的。但在晶体管的工作状态设置、电源、电流的取值方面，往往出现问题。追究主要原因，是对晶体管饱和压降、放大的片面理解所致。在这种使用中，凡是出问题的，可归纳以下几点：

1.晶体管工作于大电流临界饱和状态，此时晶体管的功耗已达极限，随着工作时间的延长，晶体管的结温升高，使元器件进入恶性循环，晶体管就会永久失效。解剖这类晶体管，往往可见是超功耗损坏；

2.在此种应用电路中，晶体管往往工作在大电流状态，而晶体管的放大，是在一种特定的条件下测的，在晶体管工作在大电流时，放大将会下降。此时如果驱动不足，则晶体管就会工作在放大区，这样，晶体管很快就会因超功耗而失效。严重时，通电后不到1分钟，晶体管就冒烟了。

3.应用时对电机是感性负载的认识不足，只计算正常工作时，晶体管的状态，而忽略了电机反向工作过程时，产生的反向电动势对晶体管的影响。

当晶体管用于开关电路时，对饱和压降就更要重视。在这里，不谈饱和压降与ts\td\tf等开关参数密切相关，只说一下饱和压降对电路的实际影响原理：当晶体管用于开关电路时，一般，因电源电压较高，故此时晶体管的动态范围已不是主问题。问题往往出在转换的过渡区。在这种使用模式时，晶体管在导通时，往往处于深饱和状态。当在晶体管基极注入反向电流时，首先要在基区复合掉多余的电荷，然后电荷才会对集电结产生影响。饱和越深，则复合这些电荷的时间也越长（这就是晶体管ts的物理模型）。在此种情况下，如果基极的反向驱动脉冲时间不够或幅度不足，就会延长晶体管在过渡时，经过放大区的时间。这对用于高压情况时的晶体管来讲是非常危险的。至少会使晶体管的失效率明显升高。因此，当晶体管应用于这种电路时，除了要对晶体管的选用加以注意外，同时也要关注驱动脉冲对晶体管的影响。

晶体管饱和压降的温度特性，可用下式说明：

Vces的温度系数

dVces/dT 为正。即在高温下，Vces增加。

这是因为：Vces=Vbe-Vbc+Ic*rcs+Ie*res

式中：rcs和res分别是晶体管导通时，集电极和发射极的串联电阻。

对硅平面管，Vces≈Ic*rcs

如果保持Ic不变，则Vces的温度特性决定于集电极串联电阻rcs，而rcs正比于T。

以上就是我对晶体管饱和、饱和压降的理解。不一定全面。有不同意见，大家继续讨论。我以为，对技术问题，只有通过争论，才能得到提高。

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是啊，这些都是电子电路的基础。