晶体管的极限值参数和高频参数

在使用电子管时大家都知道，工作点不要超过电子管手册中列出的最大电压、最大电流和最大功率损耗，不然电子管就会损坏。在使用晶体管时也同样要注意，不要超过晶体管的最大集电极电压、最大集电极电流、最大集电极功率损耗和最高结温度或环境温度。这些最大可允许的数据称为极限值参数。

在晶体管的集电极和基极（或发射极）间加反向电压，当反向电压低时，集电极电流很小，但当反向电压提高到一定程度时，集电极电流就会突然迅速增大，破坏了晶体管中结的作用，这种现象叫做击穿，这时的电压叫做击穿电压。为了保证工作安全，一般规定晶体管在工作时，集电极电压峰值不应超过低于击穿电压的某一电压，此电压称为最大集电极电压。如图1所示，晶体管上的反向峰值电压不应达到虚线V的右侧。一般的小功率晶体管（例如П6，П401等）的最大集电极电压在10～40伏之间。

晶体管的结是由半导体和其他贵重金属制成的。当结的温度达到一定高度时，它就会失去作用以致烧毁。所以晶体管有最大结温度的规定。显然，晶体管不工作时，它周围的环境温度也不应超过这个温度。最高结温度在锗晶体管为75℃ 左右,在硅晶体管为150℃左右。

晶体管加上电压有电流流通时,结上就有功率损耗,于是结处便产生一定的热量，结的温度就随着上升。晶体管在工作时，集电极的功率损耗不应大到使管内的温度超过前面所说的最高结温度。这个极限的集电极功率损耗称为最大集电极功率损耗。因为结温是在环境温度的基础上上升的，所以很明显, 当环境温度高时，可允许的最大集电极功率损耗就要相应地降低。一般在规格表上列出的最大集电极功率损耗是对环境温度为20℃时说的,在小功率晶体管（例如П6为150毫瓦上下。用图表示，最大集电极功率损耗为图1中所示的P线，当环境温度上升时,P线将向箭头指示的方向移动。晶体管在工作时，负载线不应与P线相交。

晶体管还有最大集电极电流的规定，但这种规定与前述几种不同,电流的限制不是严格和绝对的。由图1的特性曲线可知，当集电极电流增大时，曲线就密集,这示相同的输入电流变化所引起的集电极电流变化较小。由此可见,当工作点设在集电极电流很大的区域时,电流放大系数就会降低。如果工作点不在集电极电流很大的区域，但交流信号的幅值达到了这一区域，被放大后的信号波形就要失真。规格表上规定的最大集电极电流一般是指放大系数大致降低1/3左右时的电流。但是电流放大系数和波形失真程度的要求是相对的。根据情况不同，这些要求可高可低，也就是最大集电极电流可以用得大些，也可用得小些，只要这时电流和电压的乘积的功率损耗不超过最大集电极功率损耗就可以了。举例来说，П6晶体管的最大集电极电流规定为10毫安，但为了获得较大的输出功率，可以把电流用到20毫安甚至更大些，这时电流放大系数和失真还可满足一般的要求。用图表示，最大集电极电流为图1中的I曲线，工作电流可限制在I曲线上下。

晶体管在低频工作时，常用T型等效电路表示，共基极的等效电路如图2a所示。图中的r\(_{e}\)、rb、r\(_{c}\)和a0是大家知道的低频参数，分别为发射极电阻、基极电阻、集电极电阻和低频共基极短路电流放大系数。晶体管在高频工作时，由于出现了各种高频效应，就需要用各种不同的高频参数来表示这些效应，而等效电路也就不相同了。这些高频参数和高频等效电路有很多种，这里我们仅就其中主要的加以叙述。

（1）a截止频率f\(_{a}\)

电子管在很高频率下工作时，就要考虑到电子从阴极向屏极的渡越时间。当这个时间和信号周期可以比较的时候，输出电压和输入电压间就呈现一定的相位差，电压放大倍数降低，电压放大系数成为复数，输入阻抗也降低了。在晶体管中也有类似现象，从发射极注入基极的载流子在基极区域中浓度处处不同，因而形成载流子的扩散。载流子在基极区域内的扩散也需要一定的时间。当这个时间和信号周期可以比较的时候，也就是晶体管在比较高的频率下工作时，输出电流和输入电流间也呈现一定的相位差，短路电流放大系数降低，并成为复数，输入阻抗也降低了。而且这种效应在晶体管中比在电子管中还严重。因为电子管的内部是很高的真空状态，电子在真空中运动，运动速度很快，渡越的时间很短，因此电子管在很高频率下工作时才需要考虑到这种效应。而晶体管是固体的，载流子是在这固体的半导体中靠扩散运动着。因此它们运动的速度很低，渡越时间比较长，因而晶体管在不很高的频率下，就需要考虑上述效应了。这是晶体管一般不能用于很高频率的主要原因之一。

由此可见，晶体管的短路电流放大系数随着工作频率的上升而下降。共基极短路电流放大系数的绝对值│a│随频率升高而下降的趋势如图3所示。由图可以看出,在频率比较低时，放大系数值为低频放大系数a\(_{0}\)。在频率不太高时，放大系数差不多保持不变。频率再高时它就开始下降，在某一较高的频率时，放大系数下降到a0的0.707倍，即0.707a这个频率叫做截止频率。当频率更高时, 放大系数就会很快地减小。共基极短路电流放大系数的截止频率，简称为a截止频率，以f\(_{a}\)表示。fa可大致表示出晶体管的高频性能，它是晶体管的一个重要的高频参数。晶体管在高频工作时的T型等效电路中的a\(_{0}\)要以a来代替, 如图2b所示。

一般低频结合型晶体管（如П6）的f\(_{a}\)在0.5～2兆赫之间；高频晶体管（如П401～П403）的fa在5～100兆赫之间，甚至大于100兆赫。

（2）集电极电容C\(_{c}\)

大家知道，电子管在高频下工作时，首先要考虑到各电极间的电容的影响。晶体管在高频下工作时，同样也需要考虑到类似的电容效应。

大家知道，晶体管是由两个PN结构成的。在PN结的阻挡层中，一面是受主离子的负电荷，一面是施主离子的正电荷。当加以反向电压时，阻挡层变宽，离子电荷量增加；当反向电压减小或加以正向电压时，阻挡层变窄，离子电荷减小。由此可见，结的作用就好象一个电容器样。当结上加以频率较高的电压时，由于结中电荷交替增加和减小，或者说交替充电和放电，所以结的阻抗就不再是一个纯电阻，而是一个具有电容性的阻抗了。

集电结的电容称为集电极电容，一般以C\(_{c}\)表示，它是和集电极电阻rc并联着，因此在高频T型等效电路中在r\(_{c}\)上并联着Cc，如图2b所示。C\(_{c}\)将使输出阻抗降低，并加大内部反馈作用，因此在高频工作时，它使放大能力降低。低频晶体管（如П6）的集电极电容在30～50微微法之间；高频晶体管（例如П401～П403在2～15微微法之间。

在发射结也有同样的电容量，但是由于发射结的电阻小，这个电容的影响很小，一般可以不予考虑。

（3）基极电阻r\(_{b}\)＇ 和基极电阻与集电极电容之乘积rb＇C\(_{c}\)

大家知道，在晶体管中有基极电阻存在。在高频时由于集肤效应等原因，基极电阻增大了。这时的基极电阻以r\(_{b}\)＇表示。rb＇使内部反馈作用加大，并且在r\(_{b}\)＇上会消耗一部分信号功率。高频晶体管（例如П401～П403）的基极电阻rb＇一般在30～200欧之间。

r\(_{b}\)＇一般难以单独测量出来，而基极电阻与集电极电容的乘积rb＇C\(_{c}\)可以很容易地测量出来，而且在线路中经常以rb＇C\(_{c}\)形式表现出各种高频效应。所以有些高频晶体管常给出rb＇C\(_{c}\)的数值，而不给出单独的rb＇值，例如П401～П403就是这样。

（4）最高振荡频率f\(_{max}\)和功率放大系数Gp

晶体管是一种放大功率的器件, 它的放大能力最后要以功率增益来衡量。因此晶体管可以用功率放大系数这样一个参数来综合地表征晶体管的放大性能。晶体管在输出端向负载供给的信号功率和输入端消耗之功率（当信号源内阻和晶体管输入阻抗匹配时）的比值称为功率放大系数G\(_{p}\)。Gp在低频时比较大，一般（例如П6）在3～42分贝之间。在高频时由于电流放大系数减小，输出输入阻抗降低，基极电阻加大，功率放大系数便逐渐降低。在频率升高到某一极限时，功率放大系数终于等于1了，也就是这时已经没有功率放大作用了。频率再高时，晶体管反而发生损耗。这个极限频率是晶体管作成振荡器时尚能维持振荡的最高频率，因此称为最高振荡频率，一般以f\(_{max}\)表示。它比fa更为全面地综合表征一个晶体管的高频放大性能。晶体管在某一高频的频率f下工作时，其高频功率放大系数G\(_{p}\)可由下式计算出来，

G\(_{p}\)=\(\frac{f}{^{2}}\)maxf2。

因此f\(_{max}\)已知时，可以立即计算出晶体管在某一频率f下工作时的功率增益。高频晶体管（例如П401～П403）的fmax一般在30～200兆赫之间。（于闻）