晶體管參數(shù)在實際使用中的意義（一）
發(fā)布時間：2019-08-02 15:33:15來源：
所謂極限參數(shù)，是指在晶體管工作時，不管因何種原因，都不允許超過的參數(shù)。這些參數(shù)常規(guī)的有三個擊穿電壓（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、大氣壓等）、存儲條件等。在民用電子產(chǎn)品的應(yīng)用中，基本只關(guān)心前三個。
1、 晶體管的反向擊穿電壓
定義：在被測PN結(jié)兩端施加連續(xù)可調(diào)的反向直流電壓，觀察其PN結(jié)的電流變化情況，當PN結(jié)的反向電流出現(xiàn)劇烈增加時，此時施加到此PN結(jié)兩端的電壓值，就是此PN結(jié)的反向擊穿電壓。
每個晶體管都有三個反向擊穿電壓，分別是：基極開路時集電極―發(fā)射極反向擊穿電壓（BVceo）、發(fā)射極開路時集電極―基極反向擊穿電壓（BVcbo）和集電極開路時基極―發(fā)射極反向擊穿電壓。
此電參數(shù)對工程設(shè)計的指導(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，當晶體管在工作中出現(xiàn)擊穿狀態(tài)，將是非常危險的。因此，在設(shè)計中，都給晶體管工作時的電壓范圍，留有足夠的余量。實際上，當晶體管長期工作在較高電壓時（晶體管實測值的60%以上），其晶體管的可靠性將會出現(xiàn)數(shù)量級的下降。有興趣的可以參考《電子元器件降額準則》。
許多公司在對來料進行入庫檢驗時發(fā)現(xiàn)，一些品種的反向擊穿電壓實測值要比規(guī)格書上所標的要大出許多。這是怎么回事呢？
晶體管在生產(chǎn)制造過程中，與一些我們常見的生產(chǎn)完全不一樣。在晶體管的生產(chǎn)過程中，可以分成二大塊：芯片制造和封裝。在工程分類中，習(xí)慣把芯片制造統(tǒng)稱為“前道”，而把封裝行業(yè)統(tǒng)稱為“后道”。在前道生產(chǎn)中，從投料開始選原材料，到芯片出廠，一切控制數(shù)據(jù)，給出的都是范圍。芯片在正常生產(chǎn)時，投料的比較小單位是“編號批”，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。在實際生產(chǎn)中，比較小生產(chǎn)單位是“擴散批”，一個擴散批所投的園片從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，對以單只來計算的晶體管而言，是一個什么樣的數(shù)量概念。不說別的，要讓一個擴散批所有的材料，具有相同的電特性（這里，也可以說是硅片的電阻率），是不可能的。加上硅片中，不可避免的會有一些固有的缺陷（半導(dǎo)體晶格的層錯和位錯），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。這樣只能給出一個大家都能接受的范圍，這就是產(chǎn)品規(guī)格書。
為了提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)在許多芯片廠都把芯片的“免測率”作為生產(chǎn)線工序能力的一項重要考核指標。所謂的“免測”，是指產(chǎn)品的參數(shù)靠設(shè)計、工序控制來達到，加工結(jié)束后，通過抽測部分相關(guān)點的參數(shù)，來判斷此片的質(zhì)量情況。當此片的抽測合格率在96%以上時，就把此片芯片列入“免測片”。要使晶體管芯片達到免測試，就必須對其中的一些參數(shù)進行“余量放大”。而晶體管的反向擊穿電壓就是重點之一。為了提高晶體管的反射擊穿電壓，芯片投料時，就會對材料進行優(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)格書高10~20%，而在生產(chǎn)控制時，為了達到生產(chǎn)工藝設(shè)計時的指標，又會考慮在比較差的情況下，使產(chǎn)品能夠達到設(shè)計要求，這樣，就使已經(jīng)被放大過一次的指標再次被大10~20%。這樣，就使原來只要求反向擊穿電壓達到20~30V的晶體管，在實測時，部分就能達到60V以上，甚至更高。這就是為什么有時一些晶體管的反向擊穿電壓實測值會遠大于規(guī)格書的原因。盡管一些晶體管的反向擊穿電壓值遠大于規(guī)格書，那么，是否就可以以實測值來作為使用的依據(jù)呢？回答是否定的。
這是因為，所有的晶體管測試程序，都是以規(guī)格書上所提供的參數(shù)范圍，來作為差別晶體管合格與否的標準。對反向擊穿電壓而言，只要比規(guī)格書上所規(guī)定的值大，就判為合格。如果你測量到的反向擊穿電壓要遠高于規(guī)格書，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，永遠只會承諾以規(guī)格書為準，也只能是以規(guī)格書為準提供商品。規(guī)格書上所承諾的，是實際的，而其它，都是虛的。因此，建議在設(shè)計選型時，一定要以規(guī)格書為準，并留下足夠的余量，而不是以實物的測試值為準。
在一些高反壓晶體管的規(guī)格書上，有些反向擊穿電壓以BVcer和BVcbr來表述。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，其它測試原理、測試條件與BVceo相同。同樣，BVcbr在測試晶體管的C-B結(jié)的反向擊穿電壓時，其晶體管的發(fā)射極不是懸空，而是通過一只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，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，晶體管的放大會減小。當晶體管的放大降到是正常時（測試條件）的一半時，此時的Ic就稱為Icm。
此電參數(shù)對工程設(shè)計的指導(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（此處所說的放大是指晶體管在共發(fā)射極電路時的Hfe。在沒有特別說明時，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與溫度強相關(guān)。因此，此參數(shù)也與溫度強相關(guān)。
雙極型晶體管是電流控制器件。在設(shè)計時，對此項參數(shù)的考慮要點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，當進入惡性循環(huán)后，晶體管會很快失效。
在設(shè)計時，整機中Ic的實測值，不要超過規(guī)格書所標的60%。如果超過此值，同樣會使晶體管的可靠性出現(xiàn)數(shù)量級的下降。對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，施加在集電極―發(fā)射極之間的電壓和流過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TO-92的，Pcm<650mW，封裝為TO-126的，Pcm<1.25W，封裝為TO-220的，Pcm<2W。當芯片采用TO-220的封裝時，基本就與芯片面積無關(guān)了。需要說明的是，在這里的說的Pcm，都是不帶散熱片的“裸管”。
此電參數(shù)對工程設(shè)計的指導(dǎo)意義是：決定了晶體管正常工作的功率范圍。
需要說明的是，Pcm是無法進行測量的，只能靠設(shè)計和工藝保證。如果從單一的極限參數(shù)來講，BV（反向擊穿）是可逆的，即降低電壓，晶體管仍能恢復(fù)原來的特性；瞬間的集電極電流超過Icm了，晶體管也就是放大變差而已。但對Pcm就不是了，如果晶體管工作時的Pc超過了Pcm，那怕是瞬間（毫秒級）的，則晶體管也很可能會永久失效，至少會使P-N結(jié)受損，這樣，會導(dǎo)致整機的可靠性大大下降。我在進行客戶服務(wù)的過程中，此類事遇到過多次。
遇到這種情況，建議要首先計算一下晶體管的功率。從Pcm的安全區(qū)來講，設(shè)計時不要超過50%為好。現(xiàn)在，許多客戶在使用晶體管時，往往都把管子的余量用足了，我以為，這是工程師對產(chǎn)品不負責任的表現(xiàn)。要知道，晶體管的余量是分段、分級的，設(shè)計、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，就會有大有小，而你拿到的樣品，則是隨機的，如果在這里把樣品作為藍本，則就是埋下了一顆“定時**”，不知什么時候會讓你手忙腳亂。所以我們在設(shè)計產(chǎn)品時，也應(yīng)該給客戶留下足夠的余量，這是我們工程師的職責。
對于Pcm的設(shè)計，一定要從比較壞的處著手分析，同時，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對半導(dǎo)體器件的限制，可推廣到所有的半導(dǎo)體產(chǎn)品。