谈晶体管的饱和状态和饱和压降

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1、谈晶体管的饱和状态和饱和压降大家知道，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结都反偏一晶体管截止；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

2、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。我对此问题的理解是：当晶体管处于放大状态时，基极得到外来电源注入的电子 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

3、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

4、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

5、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=lceo+B*ib当忽略晶体管的反向漏电流Iceo时，lc邙*ib可见，随着基极电流的增加，集电极电流以基极电流的B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=VcIc*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-lc*Rc） -VbOV （注意：此时集电结近似零偏压，已不是原来的反

6、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lb的增大而增大， 只是已不符合lc=lceo+B*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咼（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

7、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咼，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

8、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

9、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

10、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

11、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g 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”。“

12、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1C,正向压降低2mV；而当保持正向压降不变时，

13、温度每升高1 C,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

14、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

15、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

16、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tstdtf 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