三极管性能总结Doc1培训讲学.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三极管性能总结Doc1-一：三极管的结构及类型三极管性能总结Jerome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1、输入特性图4是三极管的输入特性曲线，函数表达式：它表

2、示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在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（ce=0V和ce=2V）表示即可。2）当UbeUbeR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2)饱和区：此时两个结均处于正向偏置，UCE=0.3V3)放大区:

3、此时IC=IB，IC基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。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

4、在基极补充一个很小的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：=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，大功率锗管的Icbo可

5、达数毫安，而硅管的Icbo则非常小，是毫微安级。2）集电极发射极反向电流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的倍即Iceo=(1+)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Iceo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1（或hEF）：这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值

6、，即：1=Ic/Ib2、交流参数1）交流电流放大系数（或hfe）：这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量Ic与基极输入电流的变化量Ib之比，即：=Ic/Ib一般晶体管的大约在10-200之间，如果太小，电流放大作用差，如果太大，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（或hfb）：这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是Ic与发射极电流的变化量Ie之比，即：=Ic/Ie因为IcIe，故1。高频三极管的0.90就可以使用与之间的关系：=/（1+）=/（1-）1/（1-）3）截止频率f、f：当下降到低频时0.707倍的频率，就是共发射极的截止频率f；当下降到低频时的0.70

7、7倍的频率，就是共基极的截止频率f，f、f是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：f（1-）f4）特征频率fT：因为频率f上升时，就下降，当下降到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，但值显著下降，影响放大质量。2）集电极基极击穿电压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B

8、VEBO。4）集电极发射极击穿电压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VceBVceo，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=UceIc.使用时应使PcPCM。PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。在一般的开关电源中,有几个参数是我们要关心的，1：集电极发射极穿透电流Iceo,2:集电极最大允许电流ICM，3：集电极基极击穿电压BVCBO，4：集电极发射极击穿电压BVCEO，5：集电

9、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，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，

10、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

11、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、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

12、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

13、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=(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

14、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消耗的功率为：1.截止时：P=VceIceo饱和时：P=VcesIc图8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

15、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）Icbo（1）AeNiXMG/2其随温

16、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，ICM和BVCEO也是常常考虑的因素，也对AVX电容的工作效率有很大的影响。五，三极管射极驱动与基极驱动对三极管的要求比较：1、如图9为基极驱动基本架构图,选取三极管时一般我们会先考虑ICM和BVCEO，选用的参数肯定要在符合设计要求内，例如做全电压输出10W输出的小功率电源，则一般选取ICM1.5A，BVCEO600V的三极管，而此参数的耐压要求对三极管的成本较高，另外Iceo只能选取尽量小的

17、管子，PCM可选热阻尽量小，外加散热片进行改善。2、图10为射极驱动基本架构图，分析下射极驱动的特性：1)先分析下CE极由于高压击穿的过程（注意此时高压击穿都是指的开关管截止时的击穿），如图6中的基极驱动电路，首先集电极的高压首先在CB结上形成电场，如果这个电压过高，那么B基电压会被拉高，一旦B基电压拉高，由于三极管的放大能力，击穿就发生了。但是如果用MOS在发射极控制，那么当B基被拉高的时候，发射极会跟随着B基升高（因为没有电流通路），电流不再放大，击穿就不会出现；只有集电极电压继续升高，直接导致CB结击穿，才会出现。因此在射极驱动电路中，实际上承受高压的是三极管，当IC内部MOS关断时，相

18、当于把三极管的E极悬空，承受高压的是三极管的CB极，所以我们选取时便可选取参数是ICM为1.5A，BVCEO400V，BVCBO600V的三极管，而由于三极管的电流放大能力，三极管CE间的击穿电压低于CB间的击穿电压，一般三极管如13003的Vcbo=600V，Vceo=400V,正好符合我们的设计要求，因此可以选取常用的便宜三极管作为开关管使用，其实这也是ACT公司设计射极驱动的真正原因！2）另外，在射极驱动电路中，Iceo由于射极开路基本因此不存在，比基极驱动要安全的多，特别是在高温状态。当然实际上，ACT系列里面的MOS断开不可能完完全全截止，当MOS把三极管E极悬空使三极管截止,此时是

19、三极管承受高压,有Iceo存在,根据一般高压三极管的datasheet去看,SOA曲线Ic电流都是从0.01A即10mA开始,而ACT系列MOS的开关漏电流在18V(实际工作时由于E极悬空此时电压应该跟随B极电压,不会到这个值)只有不超过50uA,远远小于10mA，所以此时的Iceo可以忽略,因此不用担心由于Iceo穿透三极管，这就是所谓三极管的二次击穿。而基极驱动却始终要接受Iceo的考验，相比之下射极驱动在同等条件下比基极驱动要发热小，失效机会也更小。3）再分析一下三极管导通时的安全性，在基极驱动电路中由于选用BVCEO为600V的管子，因此即使在全电压输入情况下，在高端进入CCM工作状态

20、，只要Vin+Vo*Ni/No加上变压器的漏感产生的尖峰电压小于600伏，都是安全的；而在射极驱动电路中，选用BVCEO为400V的管子，在高端输入进入CCM时只要Vin+Vo*Ni/No小于400伏也是安全的。但实际上，这种定频脉宽调制工作模式的要想把一个全电压输入的开关电源在全电压都进入CCM几乎是不可能的，一般都只有在低端进入CCM高端进入DCM。利用这个规律射极驱动在低端CCM，Vin+Vo*Ni/No小于400伏，高端进入DCM工作模式，开关管导通前电压为Vin400V，因此选用普通高压三极管射极驱动很安全。六，三极管射极驱动与基极驱动开关速度比较：1、基极驱动：如图9，S1闭合，V

21、CC电压由于受到三极管延迟时间td和上升时间tr的影响，使三极管不能快速饱和导通，另外驱动本身还有上升时间，因此三极管由截止进入饱合时经过放大区的时间较长，对驱动的上升速度及驱动能力有要求；S1断开，由于储存时间ts和下降时间tf的影响，三极管还没有从饱和状态中恢复过来，并且驱动本身也有下降时间，因此三极管由饱和进入截止时经过放大区的时间也较长。对三极管的失效极为不利。2、射极驱动：如图10，S1闭合，VCC电压只受到三极管延迟时间td和上升时间tr的影响，对驱动的上升没有要求（因为射极驱动截止时B基是高电平）对S1的驱动要求不高；S1断开，三极管CE没有电流通路，迅速截止，和储存时间ts和下降时间tf没有关系，截止速度较快。以上由AVX代理商希迪电子整理提供，未经允许请勿转载!本公司主要代理AVX钽电容、TDK电感