从二极管到集成电路

——晶体管的特性曲线和极限参数

晶体管的种类很多，其特性千差万别，在晶体管手册中常用特性曲线来说明晶体管各极电压和电流之间的相互关系，同时也规定了允许加在晶体管各极上的最高工作电压、流过的最大工作电流以及管子允许的最大耗散功率等极限参数，以便正确选用晶体管和保证晶体管正常、安全工作。

晶体管有两个PN结，在实际应用中，我们不大关心这两个结的内部结构，而总是对其外部特性—即对所加电压和管内电流的关系发生兴趣。同描述二极管的特性一样，我们也可用伏安特性曲线来描述这两个结的外部特性。上一讲已经讲过，无论晶体管接成共基极、共发射极或共集电极放大电路，这两个PN结中，总有一个工作在输入端，另一个工作在输出端，因而，常用输入特性曲线来表示工作在输入端的PN结的特性，而用输出特性曲线来表示工作在输出端PN结的特性。下面以共发射极电路为例进行讨论。

1．输入特性曲线。共发射极电路的输入端是发射结，输入特性曲线就是发射结的伏安特性曲线，即加到发射结的电压V\(_{be}\)与基极电流Ib的关系曲线，如图1a，它与二极管的正向伏安特性曲线极为相似。对于硅管，只有V\(_{be}\)大于0.6V时，发射结正向导通，Ib开始急增。图中作出的一组曲线说明，当集电结所加反向电压V\(_{ce}\)加大时，特性曲线向右倾斜，这说明在相同的Vbe电压下，I\(_{b}\)随Vce增大而减小。其原因是：当V\(_{ce}\)加大时，基区变薄，有利于将载流子从发射区运送到集电区，使Ic增大，而不利于载流子在基区复合而形成I\(_{b}\)，因而使Ib下降。这种输出端电压V\(_{ce}\)对输入特性的影响，叫做晶体管的内反馈作用。

图1b为共基电路输入特性曲线，它表示了V\(_{be}\)与Ie的关系。当V\(_{ce}\)增大时，曲线向左偏移，这说明随Vce增加使I\(_{c}\)增大，Ie亦随之增大。但曲线随V\(_{ce}\)增加的偏移距离不如共射电路输入特性曲线那样大，这又说明，共基电路的内反馈比共射电路要小些。

2．输出特性曲线。图2为共射电路输出特性曲线，它表示在一定的I\(_{b}\)下，Vce与I\(_{c}\)的关系，因而它是一组通过坐标原点的曲线簇，由于集电结加的是反向电压，所以它很像是一组二极管反向特性曲线簇。

图中将晶体管的工作状态划分为三个区域。区域I为截止区，包括I\(_{b}\)=0曲线与水平坐标间的范围。它说明Ib= 0时，I\(_{c}\)≈0。这时的管子工作状态如图3，相当于基极断开（Ib=0），V\(_{ce}\)加在两个串联的PN结上。此时集电结加的是反向电压，发射结加的是正向电压，由于集电结较厚（即阻挡层电阻大）、发射结较薄（即阻挡层电阻小），因而Vce大部分加在集电结上，仅有很少载流子由发射极到达集电极，这个电流—由于它不受基极控制而是从集电极直接穿透基极到达发射极—称为穿透电流I\(_{ceo}\)。在手册中可以查到，硅管的穿透电流很小，高频小功率管一般小于1微安，锗管稍大，在数十到数百微安范围内。穿透电流Iceo是衡量管子质量的重要参数之一，I\(_{ceo}\)越大，管子的温度稳定性越差，噪声也越大，因此选管时要求Iceo越小越好。由图2可见，I\(_{ceo}\)线几乎平行于Vce轴，它与V\(_{ce}\)的关系不大，但它受温度的影响极大，当温度上升时，Iceo增大。穿透电流I\(_{ceo}\)与前面已提到过的集电极反向饱和电流Icbo的关系为I\(_{ceo}\)=（1+β）Icbo≈βI\(_{cbo}\)。

区域Ⅱ为饱和区。当加到集电极的电压V\(_{ce}\)减小到使集电极电位Vc接近于基极电位V\(_{b}\)，甚至低于Vb时，就会造成集电结刚接近于反向偏置状态或处于正向偏置状态，使集电极对发射区来的大量载流子的拉力减小而堆积在基区，这时再增加I\(_{b}\)，Ic却不再增加，即I\(_{c}\)已不受Ib控制了，管子失去了放大作用。但当V\(_{ce}\)稍许增加，对载流子的拉力就增大，Ic猛增，即I\(_{c}\)已受Vce控制了。因而在图2中，曲线簇左边部位重叠成一根很陡的直线，只有V\(_{ce}\)变化才引起Ic急剧变化，这种情况叫做管子饱和了。一般认为，当V\(_{ce}\)=Vbe时，即集电结处于零偏压状态，称为管子临界饱和状态；当V\(_{ce}\)＜Vbe，集电结同发射结一样处于正向偏压状态时，称为管子深度饱和状态。处于饱和状态的管压降就是在手册中查到的饱和压降V\(_{ces}\)，由图2可见，不同的Ic，其V\(_{ces}\)也不同，因而手册中给出Vces时，必须注明测定时的I\(_{c}\)。例如国产较好的小功率高频硅管，一般规定Ic=10mA时V\(_{ces}\)≤0.35V。

区域Ⅲ为放大区，在此区域内晶体管才具有电流放大作用。由图2可见，这是一组接近等间距相互平行的曲线簇，I\(_{c}\)随Ib成比例增长，但几乎与V\(_{ce}\)无关。若以管子实际工作时的Vce点作垂直线，可求出当基极电流变化I\(_{b}\)时，集电极电流的变化Ic，从而可计算管子电流放大系数β=I\(_{c}\)/Ib。由此可知，曲线越显平坦、间距相等，管子放大线性越好，在相同的I\(_{b}\)下，间距越大，β越高。

应用管子时为保证其安全工作，还必须注意晶体管的权限参数，即管子工作时所允许加的最大电压、流过的最大电流和最大功率耗散等参数，使用中切忌超过这些参数，否则将损坏管子。晶体管的极限参数主要有：

I\(_{CM}\)—集电极最大允许电流。当工作电流Ic超过I\(_{CM}\)时，虽不致使管子立即烧坏，但特性将变坏，例如β值开始下降。

BV\(_{ceo}\)—基极开路时，加到集电极与发射极间的最大允许反向电压。若工作电压Vce超过BV\(_{ceo}\)时，Ic将急剧增大，管子由于击穿而损坏，如图4a。

P\(_{CM}\)—集电极最大允许耗散功率。晶体管工作时，虽然Ic＜I\(_{CM}\)、Vce＜BV\(_{ceo}\)，但若IcV\(_{ce}\)＞PCM，管子仍将烧毁。因此，在使用中，应根据P\(_{CM}\)值控制Ic和V\(_{ce}\)。例如手册中给出NPN硅管3DG4的PCM=300mW，若使用时V\(_{ce}\)=10V，就要求Ic不能超过300mW／10V＝30mA；反之，若使用时I\(_{c}\)=20mA，就要求Vce≤300mW／20mA≤15V。

根据上述极限参数，我们可在输出特性曲线上作出晶体管的安全工作区，如图5。显然，晶体管的安全工作区是在I\(_{CM}\)、PCM、BV\(_{ceo}\)三条线所划定的放大区内。

当晶体管接成共基电路时，要考虑的最大反压是BV\(_{cbo}\)—它是发射极开路时，集电极与基极间最大允许反向电压，如图4b；当晶体管接成共集电极电路时，要注意的最大反压是BVebo—它是集电极开路时，发射极与基极间的最大允许反向电压，如图4c。这些参数在手册中均能查到。对于PNP型管，除了供电极性与NPN型管不同外，特性参数情况相似，不再赘述。

在晶体管手册中，还可查到另一个极限参数—最高结温T\(_{jM}\)，一般硅管规定为150℃或175℃。结温是由于电流流过PN结发热所致，若电流Ic和功耗P\(_{c}\)过大，产生的热不能很好地散发，使结温超过TjM，管子将被烧坏。为使结温不致太高，有时需要给管子加上散热器，尤其是大功率管更有必要。

为了弄清散热作用，我们不妨将热现象与电气现象对应起来理解，如图6。可认为晶体管结温总是先从管芯传到管壳再向空间散发，如图7a，每一个传热途径都存在一定阻力，这就是热阻R\(_{th}\)。我们可将传热途径按电路形式画成等效电路图7b，其中Rth（j-c）是管芯到管壳间的热阻，R\(_{th}\)（c-a）是管壳到空间的热阻，总热阻Rth＝R\(_{th}\)（j－c）＋Rth（c－a）。最大功耗P\(_{MC}\)与最大结温TjM的关系为：

式中T\(_{a}\)为环境温度，由于管子参数都是在环境温度25℃时给出的，故上式中Ta=25℃。例如NPN硅大功率管3DD4，T\(_{jM}\)=175℃，不加散热器时PCM=1W，其热阻按上式计算为R\(_{th}\)=150℃/W。加散热器时，手册中给出PCM=10W，这时热阻R\(_{th}\)=15℃/W。加上散热器为什么会使热阻下降，可用图8a说明。图中管壳紧贴散热器，除了靠管壳向空间散热外，又多了一个散热器向空间散热的途径，相当于在热阻Rth（c-a）上又并联了一个热阻R\(_{th（R）}\)，因而使总热阻减小到

若管壳不能直接紧贴散热器，中间加有薄膜绝缘衬垫，这就在管壳与散热器间又串入了一个热阻R\(_{th（z）}\)，相当于 Rth（z）＋R\(_{th（R）}\)再与Rth（c-a）并联，总热阻稍有增加，散热效果就要差些。

目前的大功率管散热器，大多采用图9铝型材结构。这种散热器安装时最好垂直放置，以增加空气对流，改善散热效果。散热器最好涂黑色，因为黑色易于吸热，散热快。

为使用方便，有时手册上可查到P\(_{CM}\)与Tj及散热面积S的关系曲线，如图10。由图可见，随结温T\(_{j}\)升高，PCM下降，其下降速率就是热阻R\(_{th}\)的倒数。当散热面积S加大时，曲线抬高，PCM值增大。(金国钧 编译)