晶体管集电极的反向电流与击穿电压

晶体管集电极的反向电流一般有以下几个：（1）I\(_{CBO}\)：发射极开路，集电极和基极间加反向电压时，集电极的反向电流，通常称为反向饱和电流。按图1电路进行测试，电流表指示的就是ICBO。（2）I\(_{CEO}\)：基极开路，集电极和发射极间加反向电压时，集电极的反向电流，通常称为穿透电流。按图2电路进行测试，电流表指示的就是ICEO。（3）I\(_{CES}\)：基极和发射极短接，集电极和发射极之间加反向电压时，集电极的反向电流。按图3电路进行测试，电表指示的就是ICES。（4）I\(_{CER}\)：基极和发射极之间接有电阻R，集电极和发射极之间加反向电压时，集电极的反向电流。按图4电路进行测试，电流表指示的就是ICER。

以上四个电流之间有什么关系呢？理论分析和实验结果可以证明：I\(_{CBO}\)＜ICES＜I\(_{CER}\)＜ICEO。下面分析为什么具有这样的关系。图5为PNP晶体管内部结构示意图，它由两个背靠背的PN结构成，我们用b’表示管子内部两个PN结的连接点，以区别于基极引线端b。由于基区很薄并且掺杂少，因此从基区内部到管子外部就有一个不能忽略的体积电阻，用符号r\(_{bb’}\)表示。在晶体管手册中往往用符号rb表示。我们先来谈谈I\(_{CEO}\)与ICBO的关系。在图5电路中，当晶体管的集电极和发射极之间加电压V\(_{CE}\)时，则集电结的反向电压很高，于是基区的少数载流子（空穴）和集电区的少数载流子（自由电子，以下简称电子）分别流向对方，这就形成了集电极反向饱和电流ICBO。这时因基极开路，I\(_{CBO}\)在基极回路没有通路，于是由于基区失去空穴而又注入电子，使基区失去电中性，迫使基区电位下降，致使基极和发射极之间存在着电位差，这个电位差对发射结来说正好是正向电压，我们用Vb'EO表示。这样发射区便向基区发射空穴，其中一少部分空穴在基区中复合而形成基区复合电流I\(_{b}\)'，而绝大部分空穴被集电极收集形成I'C。根据晶体管放大原理则I\(_{C}\)'=βIb'。在基区复合的这部分空穴正好弥补由于I\(_{CBO}\)在基区所造成的电荷不平衡，从而满足基区的电中性，所以Ib'=I\(_{CBO}\)。这时集电极的反向电流即为穿透电流，即ICEO=I\(_{CBO}\)+βICBO=（1＋β）I\(_{CBO}\)。所以ICEO＞I\(_{CBO}\)。

如果基极与发射极短路，如图6所示，则I\(_{CBO}\)将被基极回路分出一部分电流，如图6中的Ib即是。因为I\(_{CBO}\)在温度不变的情况下是一个定值，因此分流以后剩下的部分就比图5中的Ib'少了，设为I\(_{b}\)"，但它仍会造成基区电位的下降，不过下降的程度比基极开路时小得多了，也就是发射结正向电压比基极开路时小得多了，因而这时集电极的反向电流ICES= I\(_{CBO}\)+βIb"<I\(_{CEO}\)但ICES＞I\(_{CBO}\)。

根据前面的道理，如果基极与发射极接有电阻R，那么这时基极回路电阻变为R+r'\(_{bb}\)，自然会使基极回路对ICBO的分流减小。当然I\(_{CER}\)＞ICES。因此综合上述情况，集电极反向电流存在着I\(_{CBO}\)＜ICES＜I\(_{CER}\)＜ICEO的关系。

对应于上面的四个反向电流存在着四种晶体管击穿电压，现分别介绍如下：（1）BV\(_{CBO}\)：由图1分析知道，当集电极和基极间加反向电压VCB时，集电极反向电流为I\(_{CBO}\)。反向电压在一定范围内变化时，ICBO基本上保持不变。但当V\(_{CB}\)增加到一定值时，反向电流急剧上升，此现象称为击穿现象。这时的反向电压就称为发射极开路、集电极与基极间的击穿电压，以BVCBO表示。（2）BV\(_{CEO}\)：在图2中，当VCE超过一定值时，I\(_{CEO}\)急剧上升，此时反向电压称基极开路，集电极与发射极间的击穿电压，以BVCEO表示。（3）BV\(_{CES}\)：由图3中，当VCE超过一定值时，I\(_{CES}\)将急剧上升，此时反向电压称基极和发射极短路，集电极与发射极间的击穿电压，以BVCES表示。（4）BV\(_{CER}\)：同上面一样，在图4中，当VCE超过一定值时，I\(_{CER}\)急剧上升，此时的反向电压称基极和发射极接有电阻R、集电极与发射极间的击穿电压，以BVCER表示。

以上四种晶体管击穿电压之间又有什么关系呢？要想知道它们的关系，首先必须简单地了解一下击穿原理。如PNP型管的击穿电压BV\(_{CBO}\)，就是当形成反向电流ICBO的集电区的电子和基区的空穴，在通过集电结的过程中碰撞集电结中的原子，一个载流子（电子或空穴）可以撞出原子最外层轨道上的电子，结果产生一对新的载流子，这时新的载流子又继续碰撞其他原子，如同雪崩一样使电流发生剧增，称为雪崩击穿。发生这种现象时的V\(_{CB}\)就是BVCBO。由于I\(_{CBO}\)＜ICES＜I\(_{CER}\)＜ICEO，显然底数比较大的反向电流，达到雪崩击穿时的击穿电压自然比较小，因此存在着BV\(_{CBO}\)＞BVCES＞BV\(_{CER}\)＞BVCEO的关系。

晶体管集电极反向电流是晶体管的一个直流参数，它是合理地使用晶体管保证电路良好工作所要考虑的一个参数。晶体管击穿电压是晶体管的一个极限参数，它是表征使用晶体管不宜超过的限度，超过这个限度就有可能使晶体管损坏。下面谈几点关于这些参数的实用意义。

（1）晶体管反向饱和电流I\(_{CBO}\)是表征晶体管质量好坏的一个参数。良好的管子ICBO应该很小。小功率锗管I\(_{CBO}\)为μA级，硅管为nA级，温度一定时它为一定值，但它随温度有很大变化，所以在高温或温度变化范围很大的工作环境中应选用硅管。

（2）晶体管穿透电流I\(_{CEO}\)过大容易出现失控现象。我们知道，晶体管IC是受I\(_{B}\)控制的，在理想情况下IB=0，I\(_{C}\)应为0，实际上却不是0，而是ICEO，而I\(_{CEO}\)＝（1＋β）ICBO。图7是一个利用继电器制作的温度控制计，在基极回路中串一只水银温度计，当温度升高，水银上升到B点时，A、B两点通过水银接通，产生基极电流，从而使继电器动作，实现温度控制。而当温度降低，A、B间不导通后，则基极开路，这时I\(_{C}\)便为穿透电流ICEO。如果I\(_{CEO}\)太大，继电器有可能吸住不放，这便是失控。为此要么换一只穿透电流小的管子，要么在基极发射极间接一适当的电阻R（见图7），使集电极反向电流由ICEO变为I\(_{CER}\)。由于ICER比I\(_{CEO}\)小得多，因而能克服失控的毛病。在大功率稳压电源调整管部分或大功率OTL电路输出管部分，一般都采用晶体管复合连接，为了减小复合管总的穿透电流，往往在复合管的第二个管子基极与发射极间接一个电阻R，见图8。

（3）晶体管击穿电压是管子的极限参数之一，它是我们设计电路选择电源电压大小的一个依据。比如由于BV\(_{CBO}\)＞BVCEO，这说明接成共基电路的电源电压可以比接成共发电路的电源电压高。

在共发电路中，尽管BV\(_{CER}\)＞BVCEO，而且在实际电路中基极一般也不会开路，但从安全观点出发，还是以BV\(_{CEO}\)作为极限参数为好。当然，如果能明显地看出可以不以BVCEO为极限，那么也可按实际电路来考虑。如变压器耦合的乙类推挽电路如图9，因为基极与发射极只是接输入变压器的次级绕组，又由于两管轮流导通，而不导通的管子基、射间相当于短路，因此管子的集射间电压可以按BV\(_{CES}\)来考虑，电源电压就可以选得高些，以便充分发挥管子的功能，输出功率也可大些。

（4）晶体管手册中给出的击穿电压都是在特定的测试条件下给出的，因此使用时要注意这个问题。比如BV\(_{CEO}\)通常是在常温（25℃）下的值，但在高温时要低得多，因为高温下反向电流要增加很多，导致击穿电压降低。手册中常给出BVCEO随温度变化的曲线，图10是3AD30A的曲线，显然，高温时BV\(_{CEO}\)大大下降，因此在高温情况下运用时，需要特别考虑这个问题。又如BVCER值也是指具体接多大电阻下的值，手册中3AD30A的BV\(_{CER}\)给出为50V，是在R=15Ω的条件下测得的。R为其他值时也可在手册中给出的曲线中去查。

（5）由前面分析可知，晶体管在击穿以前其反向电流是基本不变的，一旦击穿就急剧上升，此击穿称为硬击穿。但是由于制造工艺上的问题，也有的管子在击穿之前，反向电流就缓慢上升，而且击穿时变化也不十分急剧，此击穿称为软击穿。为此在测试时规定超过某电流值即为击穿。如手册中给出的3DG4A管BV\(_{CBO}\)≥40V，其条件是IC=50μA，而3DD4E低频大功率管BV\(_{CEO}\)为80V，其条件是IC=10mA。

（6）最后指出一点，前面分析的几种击穿电压中以BV\(_{CEO}\)为最低，因此，如果在接有电源电压的实际电路中，晶体管的基极引线断开或虚焊，管子就有可能损坏。为此在安装或焊接晶体管时，最好先断开电源，尤其不要在电源接通的情况下断开基极引线。如果必须在加上电源后连接晶体管则应光接通基极，次接发射极，最后接集电极。拆下时按相反的次序进行。在晶体管手册中的使用说明部分也提到这点就是这个原因。我们常见小功率晶体管三个电极的引线在出厂时往往把集电极引出线故意剪短一些，这不仅是为了识别电极的需要，主要还是因为在测试晶体管时（插入管座时）保证集电极最后接入。(赵学泉)