晶體管參數在實際使用中的意義（一）
發布時間：2019-08-02 15:33:15來源：
所謂極限參數，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。這些參數常規的有三個擊穿電壓（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。在民用電子產品的應用中，基本只關心前三個。
1、 晶體管的反向擊穿電壓
定義：在被測PN結兩端施加連續可調的反向直流電壓，觀察其PN結的電流變化情況，當PN結的反向電流出現劇烈增加時，此時施加到此PN結兩端的電壓值，就是此PN結的反向擊穿電壓。
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―發射極反向擊穿電壓（BVceo）、發射極開路時集電極―基極反向擊穿電壓（BVcbo）和集電極開路時基極―發射極反向擊穿電壓。
此電參數對工程設計的指導意義是：決定了晶體管正常工作的電壓范圍。
由此電參數的特性可知，當晶體管在工作中出現擊穿狀態，將是非常危險的。因此，在設計中，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數量級的下降。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現，一些品種的反向擊穿電壓實測值要比規格書上所標的要大出許多。這是怎么回事呢？
晶體管在生產制造過程中，與一些我們常見的生產完全不一樣。在晶體管的生產過程中，可以分成二大塊：芯片制造和封裝。在工程分類中，習慣把芯片制造統稱為“前道”，而把封裝行業統稱為“后道”。在前道生產中，從投料開始選原材料，到芯片出廠，一切控制數據，給出的都是范圍。芯片在正常生產時，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少則上千，多則可近10萬。在實際生產中，比較小生產單位是“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（半導體晶格的層錯和位錯），使得在幾乎相同環境中生產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，這就是產品規格書。
為了提高生產效率，現在許多芯片廠都把芯片的“免測率”作為生產線工序能力的一項重要考核指標。所謂的“免測”，是指產品的參數靠設計、工序控制來達到，加工結束后，通過抽測部分相關點的參數，來判斷此片的質量情況。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，就會對材料進行優化，優化的考慮是在比較差的工藝加工情況下，所生產出的晶體管反向擊穿電壓也要比規格書高10~20%，而在生產控制時，為了達到生產工藝設計時的指標，又會考慮在比較差的情況下，使產品能夠達到設計要求，這樣，就使已經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格書的原因。盡管一些晶體管的反向擊穿電壓值遠大于規格書，那么，是否就可以以實測值來作為使用的依據呢？回答是否定的。
這是因為，所有的晶體管測試程序，都是以規格書上所提供的參數范圍，來作為差別晶體管合格與否的標準。對反向擊穿電壓而言，只要比規格書上所規定的值大，就判為合格。如果你測量到的反向擊穿電壓要遠高于規格書，不要以為供應商以后發給你的貨，都是具有與此相同的電壓特性，供應商所提供的商品，永遠只會承諾以規格書為準，也只能是以規格書為準提供商品。規格書上所承諾的，是實際的，而其它，都是虛的。因此，建議在設計選型時，一定要以規格書為準，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結的反向擊穿電壓時，其晶體管的發射極不是懸空，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：晶體管處于共發射極工作時，集電極―發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。
此電參數對工程設計的指導意義是：決定了晶體管正常工作的電流范圍。
此電參數與放大有關。從放大（此處所說的放大是指晶體管在共發射極電路時的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）
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。因此，此參數也與溫度強相關。
雙極型晶體管是電流控制器件。在設計時，對此項參數的考慮要點是必須考慮晶體管的工作環境溫度。隨著溫度升高，放大升高，使晶體管的Ic增大，當進入惡性循環后，晶體管會很快失效。
在設計時，整機中Ic的實測值，不要超過規格書所標的60%。如果超過此值，同樣會使晶體管的可靠性出現數量級的下降。對此可以從硅材料的導電特性（趨邊效應）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、比較高結溫等綜合因素，以文字形式，規定的值，此數值由規格書提供。
晶體管的Pcm除了與芯片面積有關外，還與封裝形式有關。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”。
此電參數對工程設計的指導意義是：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，只能靠設計和工藝保證。如果從單一的極限參數來講，BV（反向擊穿）是可逆的，即降低電壓，晶體管仍能恢復原來的特性；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結受損，這樣，會導致整機的可靠性大大下降。我在進行客戶服務的過程中，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的安全區來講，設計時不要超過50%為好。現在，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，這是工程師對產品不負責任的表現。要知道，晶體管的余量是分段、分級的，設計、工藝所設定的余量，是留給產品本身的。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。所以我們在設計產品時，也應該給客戶留下足夠的余量，這是我們工程師的職責。
對于Pcm的設計，一定要從比較壞的處著手分析，同時，還要考慮環境溫度的影響。否則，很可能出現意想不到的異常。
Pcm對半導體器件的限制，可推廣到所有的半導體產品。