半導(dǎo)體晶體管電路設(shè)計(jì)須知（一）

　　晶體管參數(shù)在實(shí)際使用中的意義

　　做模擬電路的工程師，都有過使用晶體管（場效應(yīng)管也是晶體管中的一種）、運(yùn)放的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。尤其是在設(shè)計(jì)時(shí)，更會(huì)對(duì)晶體管的一些電參數(shù)進(jìn)行測試和考量。在測試時(shí)，許多人對(duì)晶體管電參數(shù)的實(shí)測值與規(guī)格書所提供的規(guī)范值，為什么會(huì)有很大差異，感到不可思議。有時(shí)，一些工程師會(huì)用實(shí)測值來要求供應(yīng)商，也有一些工程師會(huì)把一些特殊參數(shù)作為常規(guī)參數(shù)進(jìn)行處理。這樣的后果就是整機(jī)產(chǎn)品一致性、重復(fù)性差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，更有甚者是在生產(chǎn)中出現(xiàn)大量損壞電子元器件的異常。此時(shí)，許多工程師都會(huì)把眼光釘住那些損壞的晶體管上，以為是晶體管的質(zhì)量問題，導(dǎo)致的異常。殊不知晶體管的損壞，只是一個(gè)表面現(xiàn)象，而深層次的原因，往往是設(shè)計(jì)師自己造成的。引起這些問題的原因有很多，對(duì)工程師而言，在選用元器件時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體器件電參數(shù)的片面理解，或許是個(gè)重要因素。

　　晶體管的電參數(shù)，在常規(guī)情況下可分為極限參數(shù)、直流參數(shù)（DC）、交流參數(shù)（AC）等。但在實(shí)際的使用中，我發(fā)現(xiàn)還有許多想測而無法測量到的參數(shù)，為使工作方便，我便稱其為“功能參數(shù)”。分別述之：

　　一、極限參數(shù)

　　所謂極限參數(shù)，是指在晶體管工作時(shí)，不管因何種原因，都不允許超過的參數(shù)。這些參數(shù)常規(guī)的有三個(gè)擊穿電壓（BV）、最大集電極電流（Icm）、最大集電極耗散功率（Pcm）、晶體管工作的環(huán)境（包括溫度、濕度、電磁場、大氣壓等）、存儲(chǔ)條件等。在民用電子產(chǎn)品的應(yīng)用中，基本只關(guān)心前三個(gè)。

　　1、晶體管的反向擊穿電壓

　　定義：在被測PN結(jié)兩端施加連續(xù)可調(diào)的反向直流電壓，觀察其PN結(jié)的電流變化情況，當(dāng)PN結(jié)的反向電流出現(xiàn)劇烈增加時(shí)，此時(shí)施加到此PN結(jié)兩端的電壓值，就是此PN結(jié)的反向擊穿電壓。

　　每個(gè)晶體管都有三個(gè)反向擊穿電壓，分別是：基極開路時(shí)集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓（BVceo）、發(fā)射極開路時(shí)集電極—基極反向擊穿電壓（BVcbo）和集電極開路時(shí)基極—發(fā)射極反向擊穿電壓。

　　此電參數(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義是：決定了晶體管正常工作的電壓范圍。

　　由此電參數(shù)的特性可知，當(dāng)晶體管在工作中出現(xiàn)擊穿狀態(tài)，將是非常危險(xiǎn)的。因此，在設(shè)計(jì)中，都給晶體管工作時(shí)的電壓范圍，留有足夠的余量。實(shí)際上，當(dāng)晶體管長期工作在較高電壓時(shí)（晶體管實(shí)測值的60%以上），其晶體管的可靠性將會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的下降。有興趣的可以參考《電子元器件降額準(zhǔn)則》。

　　許多公司在對(duì)來料進(jìn)行入庫檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些品種的反向擊穿電壓實(shí)測值要比規(guī)格書上所標(biāo)的要大出許多。這是怎么回事呢？

　　晶體管在生產(chǎn)制造過程中，與一些我們常見的生產(chǎn)完全不一樣。在晶體管的生產(chǎn)過程中，可以分成二大塊：芯片制造和封裝。在工程分類中，習(xí)慣把芯片制造統(tǒng)稱為 “前道”，而把封裝行業(yè)統(tǒng)稱為“后道”。在前道生產(chǎn)中，從投料開始選原材料，到芯片出廠，一切控制數(shù)據(jù)，給出的都是范圍。芯片在正常生產(chǎn)時(shí)，投料的最小單位是“編號(hào)批”，每批為24或25片4英寸到8英寸直徑的園片。就以4寸片為例，每片可出合格的晶體管只數(shù)少則上千，多則可近10萬。在實(shí)際生產(chǎn)中，最小生產(chǎn)單位是“擴(kuò)散批”，一個(gè)擴(kuò)散批所投的園片從150片到250片之間。可以想象出，在芯片的前道生產(chǎn)中，每次投料，對(duì)以單只來計(jì)算的晶體管而言，是一個(gè)什么樣的數(shù)量概念。不說別的，要讓一個(gè)擴(kuò)散批所有的材料，具有相同的電特性（這里，也可以說是硅片的電阻率），是不可能的。加上硅片中，不可避免的會(huì)有一些固有的缺陷（半導(dǎo)體晶格的層錯(cuò)和位錯(cuò)），使得在幾乎相同環(huán)境中生產(chǎn)出的同一品種的晶體管，不可能具有完全相同的電特性。這樣只能給出一個(gè)大家都能接受的范圍，這就是產(chǎn)品規(guī)格書。

　　為了提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)在許多芯片廠都把芯片的“免測率”作為生產(chǎn)線工序能力的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)。所謂的“免測”，是指產(chǎn)品的參數(shù)靠設(shè)計(jì)、工序控制來達(dá)到，加工結(jié)束后，通過抽測部分相關(guān)點(diǎn)的參數(shù)，來判斷此片的質(zhì)量情況。當(dāng)此片的抽測合格率在96%以上時(shí)，就把此片芯片列入“免測片”。要使晶體管芯片達(dá)到免測試，就必須對(duì)其中的一些參數(shù)進(jìn)行“余量放大”。而晶體管的反向擊穿電壓就是重點(diǎn)之一。為了提高晶體管的反射擊穿電壓，芯片投料時(shí)，就會(huì)對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的考慮是在最差的工藝加工情況下，所生產(chǎn)出的晶體管反向擊穿電壓也要比規(guī)格書高10~20%，而在生產(chǎn)控制時(shí)，為了達(dá)到生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)，又會(huì)考慮在最差的情況下，使產(chǎn)品能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這樣，就使已經(jīng)被放大過一次的指標(biāo)再次被大10~20%。這樣，就使原來只要求反向擊穿電壓達(dá)到20~30V的晶體管，在實(shí)測時(shí)，部分就能達(dá)到60V以上，甚至更高。這就是為什么有時(shí)一些晶體管的反向擊穿電壓實(shí)測值會(huì)遠(yuǎn)大于規(guī)格書的原因。盡管一些晶體管的反向擊穿電壓值遠(yuǎn)大于規(guī)格書，那么，是否就可以以實(shí)測值來作為使用的依據(jù)呢？回答是否定的。

　　這是因?yàn)?，所有的晶體管測試程序，都是以規(guī)格書上所提供的參數(shù)范圍，來作為差別晶體管合格與否的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)反向擊穿電壓而言，只要比規(guī)格書上所規(guī)定的值大，就判為合格。如果你測量到的反向擊穿電壓要遠(yuǎn)高于規(guī)格書，不要以為供應(yīng)商以后發(fā)給你的貨，都是具有與此相同的電壓特性，供應(yīng)商所提供的商品，永遠(yuǎn)只會(huì)承諾以規(guī)格書為準(zhǔn)，也只能是以規(guī)格書為準(zhǔn)提供商品。規(guī)格書上所承諾的，是實(shí)際的，而其它，都是虛的。因此，建議在設(shè)計(jì)選型時(shí)，一定要以規(guī)格書為準(zhǔn)，并留下足夠的余量，而不是以實(shí)物的測試值為準(zhǔn)。

　　在一些高反壓晶體管的規(guī)格書上，有些反向擊穿電壓以BVcer和BVcbr來表述。此種表述的含義是：

　　BVcer ——基極與發(fā)射極之間，接有一只KΩ量綱的電阻，其它測試原理、測試條件與BVceo相同。同樣，BVcbr在測試晶體管的C-B結(jié)的反向擊穿電壓時(shí)，其晶體管的發(fā)射極不是懸空，而是通過一只KΩ量綱的電阻接到“零電位”。晶體管的反向擊穿電壓高低的排列是： BVcbo≥BVcbr》BVcer》BVceo。


一、巧用晶體管測試儀增加高壓包在路測量功能

　　如果要增加高壓包在路測量功能，將下圖中K為反壓測試按鈕VBR、Rl、Q1、Ll、L2組成自激振蕩電路，Dl、D2、D3與Cl、C2、C3、C4、C5、C6構(gòu)成倍壓整流電路，D4為次級(jí)線圈L4的整流電路。在次級(jí)空載的情況下，測試L4兩端的輸出電壓為250Vp-p，頻率約為5000 Hz。L3與L4輸出電壓之和大于400 Vp-p。

　　改制方法：由于L4兩端電壓為中壓，電流較小，而L3與L4輸出電壓之和大于400

　　Vp-p，雖然電流也不大，但是從安全角度考慮，選用L4兩端作為脈沖信號(hào)的輸出端，引出兩根帶鱷魚夾的導(dǎo)線作為測試信號(hào)線。

　　測試方法如下：　　斷開“高壓包”初級(jí)任意一端，同時(shí)拔掉尾座(目的是斷開燈絲繞組，因?yàn)闊艚z電壓很低，對(duì)于測試儀來說，相當(dāng)于“高壓包”次級(jí)負(fù)載短路)，將測試儀信號(hào)引出夾夾在“高壓包”的初級(jí)，按壓反壓測試按鈕VBR，如果“高壓包”內(nèi)部無短路，外部負(fù)載也無短路，則測試儀表針偏轉(zhuǎn)(只要偏轉(zhuǎn)既可)。如果表針不偏轉(zhuǎn)，則說明“高壓包”內(nèi)部或外部負(fù)載有短路，可用萬用表R×1kΩ電阻檔，紅表筆接地，黑表筆分別測試“高壓包”

　　次級(jí)180V、12V、26V等整流二極管負(fù)極，大致判斷幾個(gè)“二次”供電電路有無短路。若表針指示均有一定阻值，則可以判斷“高壓包”內(nèi)部短路，可去掉“高壓包”進(jìn)一步開路測試確認(rèn)。

　　說明：

　　(1)所有測試過程，均應(yīng)在主機(jī)不通電的狀況下進(jìn)行，否則，可能造成人身安全事故或者使故障擴(kuò)大。

　　(2)測試儀測量的范圍，可以是任何開關(guān)電源、任何行掃描電路。所以對(duì)于VCD、DVD、顯示器、復(fù)印機(jī)、錄像機(jī)等，都有其用武之地。

　　(3)對(duì)于“高壓包”的層間短路，由于用萬用表可以很方便的檢查出來，所以本改進(jìn)不測試層間短路，也不能測試。

　　(4)測試儀與“高壓包”連接后測試時(shí)，測試儀自激振蕩頻率會(huì)變高，約為41.667kHz，電壓為110Vp-p。

　　這是由于“高壓包”初級(jí)電感與測試儀次級(jí)電感并聯(lián)及負(fù)載增大造成的，不影響測試結(jié)果。