三极管性能总结Doc1

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1、三极管性能总结Jerome 一：三极管的结构及类型通过工艺的方法,把两个二极管背靠背的连接起来级组成了三极管。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和符号图分别为：如图（1）、（2）所示基电极C基极bIPN发射极日be（2）基电极c发射极日基极b不管是什麽样的三极管，它们均包含三个区：发射区，基区，集电区，相应的引出三个电极：发射极 基极，集电极。同时又在两两交界区形成 PN 结，分别是发射结和基点结。且制作时都是发射区中掺杂、 基区很薄、基电结的面积很大。二：三极管的特性图4是三极管的输入特性曲线，函数表达式：岛叫=常数它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在

2、0-2伏范围内，曲线位置和形状与Uce有关，但当Uce高于2伏后，曲线与Uce基本无 关，通常输入特性由两条曲线（Uce=OV和Uce=2V）表示即可。2）当UbeVUbeR时，IbO称（0UbeR）的区段为“死区”当UbeUbeR时，Ib随Ube增加而增加,放大时，三极管工作在较直线的区段。2、输出特性图 5是三极管的的输出特性曲线，函数表达式：它表示Ic随Uce的变化曲线，输出特性可分为三个区：1）截止区：IB=0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏B2）饱和区：此时两个结均处于正向偏置， UCE=0.3VCE3）放大区:此时IC=BIB, IC基本不随

3、Uce变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。C B CCE主要是放大区较为复杂，以NPN三极管作简单描述如图3,因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺 杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，形成的电流为发射极电流Ie,又由于集电结的反向作用， 而注入至基区的载流子（电子）与基区的载流子（空穴）形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电 结，被电场拉至集电区形成集电极电流Ic,因为基区做的很薄，所以留在基区的发射区载流子很少，留下 的载流子（电子）与基区载流子（空穴）复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而 形成了基极电流Ib,根据电流连续性原理便有：Ie=Ib+Ic,即在基

4、极补充一个很小的Ib,就可以在集电 极上得到一个较大的Ic,这就是三极管电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：a=Ic/ Ib。在开关电源里面三极管都用作开关作用， 截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域，三极管 饱和导通时，工作点落在饱和区，三极管截止时，工作点落在截止区。三，三极管的主要参数1 、直流参数1）集电极一基极反向饱和电流Icbo:发射极开路（Ie=0）时，基极和集电极之间加上规定的反向电压 Vcb 时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和 电流。良好的三极管，Icbo很小，小功率锗管的Icbo约为110微安，大功率

5、锗管的Icbo可达数毫安， 而硅管的Icbo则非常小，是毫微安级。2）集电极一发射极反向电流Iceo（穿透电流）：基极开路（Ib=0）时，发射极和集电极之间加上规定 反向电压Vce时的集电极电流。Iceo大约是Icbo的a倍即Iceo=（1+a）Icbo, Icbo和Iceo受温度影响 极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的Ice。比硅管大。3）发射极基极反向电流 Iebo： 集电极开路时，在基极与发射极之间加上规定的反向电压时发射极 的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。4）直流电流放大系数a1 （或hEF）：这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极

6、输出的直流 电流与基极输入的直流电流的比值，即： a1=Ic/Ib2、交流参数1）交流电流放大系数a （或hfe）：这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量AIc与基极输 入电流的变化量之比，即：a= Ic/AIb 般晶体管的a大约在10-200之间，如果a太小，电 流放大作用差，如果a太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。2）共基极交流放大系数d （或hfb）:这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是AIc与发射极 电流的变化量AIe之比，即：d=AIc/AIe因为 IcVAIe，故d0.90就可 以使用 d 与 a之间的关系：d= a/ （1+a） a= d/ （1-d）1/ （1

7、-d）3）截止频率fa、fd：当a下降到低频时0.707倍的频率，就是共发射极的截止频率fa；当d下 降到低频时的0.707倍的频率，就是共基极的截止频率fd, fa、fd是表明管子频率特性的重要参数， 它们之间的关系为：fa（1-d） fd4）特征频率fT：因为频率f上升时，a就下降，当a下降到1时，对应的fT是全面地反映晶体管 的高频放大性能的重要参数。共 6 页，第 2 页3、极限参数1）集电极最大允许电流ICM：当集电极电流Ic增加到某一数值，引起a值下降到额定值的2/3或1/2, 这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但a值显著下降，影响放大质量。2）集

8、电极一基极击穿电压BVCBO：当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。3）发射极一基极反向击穿电压BVEBO：当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO。4）集电极一发射极击穿电压BVCEO：当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用 时如果VceBVce o,管子就会被击穿。5）集电极最大允许耗散功率PCM:集电极流过Ic,温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过 允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即 Pc=Uce X Ic.使用时应使Pc VPCM。PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。在一

9、般的开关电源中，有几个参数是我们要关心的，1：集电极一发射极穿透电流Iceo,2:集电极最大 允许电流ICM, 3：集电极一基极击穿电压BVCBO, 4：集电极一发射极击穿电压BVCEO，5：集电极最大允 许耗散功率PCM。对于基极驱动，需要关心的是1、2、4、5点，对于射极驱动，则五点都需要关心，但由 于一般作开关管的高压三极管BVCBO都比BVCEO高两百伏左右，因此有独到的优势，下面将会作介绍。4、参数与温度的关系由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移， 基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加

10、，性能 也更不稳定。四，开关三极管主要失效分析：图 6 图71、先介绍下耗散功率，三极管工作时，由于电流热效应，会消耗一定的功率，这就是耗散功率。耗散功 率主要由集电极耗散功率组成：PTVceIc即PTPCM，下面分析开关三极管失效的几种情况：1）由于三极管的工作电流受温度的影响很大，因此当三极管工作时，耗散功率转化为热，使集电结结温升高，集电结结电流进一步加大TAJ钽电容的电压，会造成恶性循环使三极管烧毁。这种情况叫热 击穿。使三极管不发生热击穿的最高工作温度定义为最高结温。2）当三极管未达到最高结温时，或者未超过最大耗散功率时，由于材料的缺陷和工艺的不均匀性， 以及结构原因造成的发射区电流

11、加紧效应，使得三极管的工作电流分布不均匀。当电流分布集中 在某一点时，该点的功耗增加，引起局部温度增高，温度的增高反过来又使得该处的电流进一步 增大，从而形成“过热点”，其温度若超过金属电极与半导体的共熔点，造成三极管烧毁。另一方面，局部的温升和大电流密度会引起局部的雪崩（击穿），此时的局部大电流能使三极管烧通， 使击穿电压急剧降低，电流上升，最后导致三极管烧毁。这种情况就是所谓的二次击穿。三极管 二次击穿的特性曲线如图6 所示。二次击穿是功率开关管失效的重要原因。为保证三极管正常工 作，提出了安全工作区SOA的概念。SOA示意图如图7所示，它由集电极最大电流Icm线、击穿电 压BVceo线、

12、集电极最大耗散功率Pcm线和二次击穿功耗Psb线组成。因此，由于使用时工作电流和最大电压的设计都不会超过三极管的额定值，因此，正常情况下，集电 极耗散功率和二次击穿特性就是造成三极管失效烧毁的主要因素。2、既然分析了开关三极管的失效主要因素，那么下面再讨论一下怎么减少失效。很明显降低三极管的失 效重要的是要尽量降低三极管工作时的功率、改善二次击穿特性，这两者其实是相关的。由二次击穿的发 生机理可知，温度上升，导致三极管HFE增大其他元件像薄型钽电容也会有影响，开关性能变差，二次击穿特性 变差（更容易发生二次击穿）； 温度的升高，也使得三极管的实际耗散功率参数变差，三极管的安全工作区变小了。反过

13、来，由于三极管 的耗散功率主要和三极管的热阻有关，耗散功率小，实际上也就是其所能承受的电流电压低，散热性能差， 同样也影响到了二次击穿特性。因此，防止工作时三极管温升过高、提高三极管的耗散功率，是提高三极 管质量的最有效办法。1）热阻三极管工作中，当PN结温度超过允许最高结温时，三极管消耗的功率就是三极管的集电极最大耗散 功率。由于一定材料的最高结温是一定的，因此，提高三极管的散热性能，就是提高三极管的耗散功率， 同时，散热性能好，管子的温升就低，也降低了二次击穿的可能性，这是提高二次击穿特性的重要因素。 热阻作为大功率管的一个重要参数，代表了三极管的散热能力。热阻与耗散功率的关系为：Pcm=

14、（TjmTa）/RT其中Tjm为最高结温，Ta为环境温度，RT为热阻。可见，当最高结温和环境温度一定时，耗散功率的大 小取决于热阻的大小。在开关电源中作开关的三极管，应选用热阻尽可能低的管子。除了三极管芯片本身之外，后工序装配 的材料、工艺和质量对热阻的影响也非常大。2）开关参数三极管工作于饱和和截止状态，因此三极管的开关参数对其工作情况有重大的影响。三极管的开关参 数有4个：延迟时间td、上升时间tr、储存时间ts和下降时间tf。如图8所示的三极管开关波形图，管 子由截止到饱和时，过渡时间受延迟时间和上升时间的影响，由饱和到截止时，过渡时间受存储时间和下 降时间的影响。三极管在不同工作状态时

15、消耗的功率为：图8截止时：P=Vce Iceo 饱和时：P=Vces Ic由于三极管的反向漏电流Iceo和饱和压降Vces都很低，因此，饱和和截止时，三极管的消耗功率并不大， 但在两种状态的转换过程中，三极管有一部分时间工作于放大区，此时的电流电压均较大，处于放大区的 时间越长，从而消耗功率也越大，温度也就升高越多。由波形图可看出，影响三极管处于放大区的开关参数主要是上升时间和下降时间。因此，应选用上升时间 和下降时间尽可能短的三极管。3）高温漏电流在上面的说明中，我们知道三极管工作在截止状态时的功耗主要由反向漏电流Iceo决定。常温下， Iceo 一般很小，因此，三极管的截止功率并不大，但当工作后温度升高后，Iceo变大，则其消耗功率也 变大，直至影响到正常的工作。另一方面，反向漏电流的增大使得PN结击穿特性变软，也使三极管变得 易于烧毁。因此，高温漏电流也是影响管子质量的重要参数。硅三极管的 ce反向漏电为：Iceo= （1 + a） Icbo（1 + a） AeXNi XXMG/26 其随温度的变化主要与材料和工艺有关。4）其它功率开关三极管的其他参数，也与其使用有关。hFE也是经常考虑的因素之一。其对管子质量的影响， 也体现在对开关时间的影响，其重要性相对没有开关参数影响那么大。除此之外