談晶體管的飽和狀態(tài)和飽和壓降

1、談晶體管的飽和狀態(tài)和飽和壓降大家知道， 一個(gè)普通的雙極型晶體管有二個(gè) PN 結(jié)、三種工作狀態(tài) （截止、 飽和、放大） 和四種運(yùn)用接法（共基、共發(fā)、共集和倒置）。對(duì)這兩個(gè) PN 結(jié)所施加不同的電位，就 會(huì)使晶體管工作于不同的狀態(tài)：兩個(gè) PN 結(jié)都反偏 晶體管截止；兩個(gè) PN 結(jié)都導(dǎo)通 晶體管飽和：一個(gè) PN 結(jié)正偏，一個(gè) PN 結(jié)反偏晶體管放大電路（注意：如果 晶體管的發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)正偏，就是晶體管的倒置放大應(yīng)用）。要理解晶體管的飽 和，就必須先要理解晶體管的放大原理。從晶體管電路方面來理解放大原理，比較簡(jiǎn)單：晶體管的放大能力，就是晶體管 的基極電流對(duì)集電極電流的控制能力強(qiáng)弱?？刂颇芰?qiáng)，則

2、放大大。但如果要從晶體管 內(nèi)部的電子、空穴在 PN 結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，電子、空穴是如何運(yùn)動(dòng)的、晶體管的內(nèi)電 場(chǎng)對(duì)電子、空穴是如何控制的等一些物理過程來看，就比較復(fù)雜了。我對(duì)此問題的理解是：當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài)時(shí)， 基極得到外來電源注入的電子 流，部分會(huì)與基區(qū)中的空穴復(fù)合，此時(shí)產(chǎn)生的復(fù)合電流，構(gòu)成了基極電流的主體。由于 此時(shí)晶體管是處于放大狀態(tài)，故集電結(jié)處于反偏。又因集電結(jié)的反偏，就在此 PN 結(jié)的 內(nèi)部， 就形成了一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)， 電場(chǎng)的方向由集電極指向基極， 即集電極為正， 基極為負(fù)。 也就是說，在此 PN 結(jié)（集電結(jié)）聯(lián)接集電極的一端，集中了大量帶正電的空穴。當(dāng)從 基極注入的電子流進(jìn)入基區(qū)后，

3、 一部分與基區(qū)內(nèi)部的空穴進(jìn)行了復(fù)合， 而大部分電子則 在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，被 “拉 ”到了集電極，這種被電場(chǎng) “拉”到集電極的電子流，構(gòu)成了集 電極電流的主要組成部分。由于從基極注入的電子流，只有很少一部分在基區(qū)被復(fù)合， 大部分電子是在集電結(jié)的強(qiáng)電場(chǎng)的作用下， 集中到了集電極， 構(gòu)成了集電極電流的主體， 所以， 此時(shí)的集電極電流要遠(yuǎn)大于從基極注入的電流，這就是晶體管放大功能的物理模 型。此時(shí)，是以 NPN 型晶體管進(jìn)行舉例。如果是 PNP 型晶體管，則只要把晶體管的極 性由正換成負(fù)就行。如果要從基極電流、集電極電流、發(fā)射極電流的組成、流動(dòng)， PN 結(jié)的能級(jí)等等方 面來講清晶體管的放大機(jī)理，就更復(fù)

4、雜了。這在許多專業(yè)的教課書都有解釋?，F(xiàn)在的問題是： 如果增大晶體管基極的電流注入， 晶體管還能工作在放大區(qū)嗎？如果不 能，則晶體管會(huì)從放大狀態(tài)，向什么狀態(tài)過渡？另外，基極電流的注入，能不能無限增 加？也就是說， 晶體管對(duì)基極電流有限制嗎？限制的條件是什么？這就要從晶體管的放 大狀態(tài)，進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài)的 飽和狀態(tài)的討論。在下面的討論中，以共發(fā)射極電路進(jìn) 行。其它形式的放大電路，都可以用這種方法進(jìn)行。眾所周知，從晶體管的發(fā)射極、基極和集電極電位的關(guān)系中，可以非常方便地對(duì)晶體管 的工作狀態(tài)作出判斷。 對(duì)處于共發(fā)射極放大的 NPN 型晶體管而言， 集電極電位 基極電 位發(fā)射極電位時(shí)，晶體管工作于放大狀態(tài)

5、。隨著基極注入電流的增大，流出該管的集 電極電流也就增大。此時(shí)流過負(fù)載電阻 Rc 的電流同時(shí)增加。此時(shí)，因晶體管工作于放 大狀態(tài)，故晶體管的集電極電流可用由下式表示：Ic=lceo+ 卩 *ib當(dāng)忽略晶體管的反向漏電流 Iceo 時(shí)，Ic卩*ib可見，隨著基極電流的增加，集電極電流以基極電流的卩倍同步增加。此時(shí)，串于集電極回路的電阻Rc上的壓降，也就隨著Ic增大而增大。因晶體管的集電極電位Vce=電源電壓減去集電極 Rc 上的壓降，即Vce=Vc Ic*Rc；對(duì)于硅材料組成的雙極型晶體管來講，PN結(jié)的正向?qū)妷簽?.7V，因此一般在工程中認(rèn)為：當(dāng)基極注入的電流，讓晶體管的 Ic 與 Rc 的

6、積滿足下列公式時(shí)（Vce-Ic*Rc ） -Vb三0V （注意：此時(shí)集電結(jié)近似零偏壓，已不是原來的反偏狀態(tài)了）式中： Vce 為晶體管集電極 發(fā)射極間的電壓，Vb 為晶體管基極的電壓。就認(rèn)為此晶體管已開始進(jìn)入飽和狀態(tài)。 但因這時(shí)晶體管的 Ic 仍能隨著 Ib 的增大而增大， 只是已不符合lc=lceo+卩*ib而已。這就是在工程中常說的 晶體管處于臨界飽和狀態(tài)”， 又稱 “臨界工作狀態(tài) ”。此時(shí)如果繼續(xù)加大基極的注入電流，晶體管的集電極電位將進(jìn)一步降低，當(dāng)出現(xiàn)晶體管的基極注入已不能使晶體管的Ic隨之增大時(shí)（即（Vce-lc*Rc ） -Vb=常數(shù)時(shí)），我們就稱此晶體管 “進(jìn)入深飽和狀態(tài) ”。此

7、時(shí)，晶體管的基極電位為最高（此現(xiàn)象，對(duì) N-P-N 晶 體管而言。如果是 P-N-P 型晶體管，則只要在所有電源前加一負(fù)號(hào)即可得出相同的結(jié) 論），即晶體管的兩個(gè) PN 結(jié)均處于正偏狀態(tài)。由此可以得出晶體管飽和的定義：當(dāng)晶體管的兩個(gè) PN 結(jié)均處于正偏時(shí)，此晶體管就處 于飽和狀態(tài)。在實(shí)際的放大應(yīng)用中， 如果放大電路是用于小信號(hào)放大， 只要晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置 正確， 晶體管一般不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)。但如果晶體管放大電路處理的是信號(hào)幅值較大的信 號(hào)，例音頻功放的輸出級(jí)，則晶體管極有可能進(jìn)入飽和區(qū)。此時(shí)，就會(huì)在輸出波形上出 現(xiàn)“削頂”現(xiàn)象。這就是因輸入信號(hào)的幅值太高，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)后，對(duì)信號(hào)失去放大

8、作用，同時(shí)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生限幅作用后的結(jié)果。由此可得出第一個(gè)問題的答案： 隨著基極電流的增加，晶體管的工作狀態(tài)將由放大區(qū)向 飽和區(qū)過渡，當(dāng)基極注入的電流達(dá)到一定程度時(shí)，晶體管的飽和程度將加深。最后出現(xiàn) 無論基極電流怎么增加，集電極電流將維持不變，此時(shí)，晶體管進(jìn)入深飽和狀態(tài)。在以上敘述中，沒有提到電流的量綱問題。也就是說，晶體管在小電流工作時(shí)，同樣會(huì) 出現(xiàn)飽和狀態(tài)。實(shí)際上，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏左上方時(shí)，也就是當(dāng)電路的Vc 較低、Rc較大時(shí)，晶體管就較容易進(jìn)入飽和狀態(tài)。也就是說，晶體管工作時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍 與所設(shè)置的晶體管工作點(diǎn)密切相關(guān)，而與晶體管的能流過多大的電流無關(guān)。需要指出的是：在晶體管電路中，無

9、論改變電路中的哪個(gè)參數(shù)，都會(huì)對(duì)晶體管的工作點(diǎn) 產(chǎn)生影響。對(duì)此，有興趣的可以自己計(jì)算和驗(yàn)證。這里談的飽和狀態(tài)，是晶體管在工作中的一種物理特性。 也就是說，晶體管的飽和狀態(tài)， 是晶體管的一種特性，此特性與晶體管的 Icm 無關(guān)。晶體管的 Icm 是不能隨外電路的設(shè) 計(jì)而改變的，換句話說，晶體管的 Icm 對(duì)應(yīng)用者來講，是使用前就已由晶體管本身所決 定的一項(xiàng)與晶體管安全使用密切相關(guān)的參數(shù)， 而晶體管的飽和狀態(tài)，則是由外電路所提 供的條件決定的。晶體管在飽和工作時(shí)，對(duì)晶體管的可靠性不一定會(huì)產(chǎn)生不良影響。例 音頻功放最大輸出是在輸出波形的失真達(dá)到10% 時(shí)測(cè)試的。此時(shí)用示波器觀察，可見輸出波形已出現(xiàn)嚴(yán)重

10、的削頂。在前面的討論中曾提到， 加大晶體管的基極注入電流，能使晶體管從放大區(qū)向飽和區(qū)過 渡?；鶚O電流能任意加大嗎？回答是否定的。我查了一下現(xiàn)在的一些晶體管規(guī)格書，在 極限參數(shù)這一欄里，許多功率型晶體管都增加了 “最大基極電流”這一項(xiàng)。對(duì)此參數(shù)為什 么要進(jìn)行定義？其理由是顯而易見的。我想大概有以下幾個(gè)原因：1. 晶體管是電流控制型器件，從晶體管的結(jié)構(gòu)上講，基極的內(nèi)引線是晶體管中最細(xì)的。 這就決定了晶體管基極的電流容量是最小的。 在實(shí)踐中，也感到晶體管的發(fā)射結(jié)是比較 脆弱的：發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓較低，基極電流不能過大，是發(fā)射結(jié)在使用中應(yīng)考慮的 問題之一。2. 晶體管導(dǎo)通時(shí)，其基極電流的組成又是最復(fù)

11、雜的， 在半導(dǎo)體器件可靠性這本書中， 有對(duì)基極電流的詳細(xì)描述，現(xiàn)摘錄如下：“硅平面晶體管，基極電流成分是相當(dāng)復(fù)雜的，當(dāng)晶體管正常工作時(shí)，組成基極電流的 共有十一種成份： 1.基極總電流， 2.發(fā)射區(qū)少子的復(fù)合和存貯電流，3.發(fā)射結(jié)勢(shì)壘產(chǎn)生 -復(fù)合電流， 4.發(fā)射結(jié)附近的產(chǎn)生 -復(fù)合電流， 5.發(fā)射結(jié)電容的位移電流， 6.基區(qū)少子的復(fù) 合和存貯電 ? ? ， 7.集電區(qū)少子的復(fù)合和存貯電流， 8.集電結(jié)勢(shì)壘萄產(chǎn)生 -復(fù)合電流， 9. 集電結(jié)電容的位移電流， 10.發(fā)射區(qū)少子的擴(kuò)散和漂移電流， 11.集電區(qū)少子的擴(kuò)散和漂 移電流?！薄斑@十一種基極電流成份均與溫度有關(guān)。正因?yàn)檫@樣，在晶體管參數(shù)中，凡

12、是與基極電 流 Ib 有關(guān)的參數(shù)，隨溫度變化一般均比較復(fù)雜，很難找到準(zhǔn)確的定量關(guān)系，其原因就 在于，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)，不同工藝制成的不同類型的晶體管，這些成份的溫度關(guān)系是不一 樣的”?！吧鲜龈骰鶚O電流分量在不同工作條件下或不同結(jié)構(gòu)的晶體管中，所占的比重及其作用 也是不同的。比如對(duì)微功耗晶體管，其工作電流往往是微安數(shù)量級(jí)，所以發(fā)射結(jié)勢(shì)壘的產(chǎn)生 -復(fù)合電流及發(fā)射結(jié)附近表面的產(chǎn)生復(fù)合電流占重要地位。而對(duì)一般晶體管只有工 作在小電流區(qū)時(shí)， 此二項(xiàng)電流成份才予以注意。再如集電區(qū)少子復(fù)合和存貯電流在線性 放大區(qū)與總電流相比可以忽略，而在飽和區(qū)則是基極電流的主要組成部分。另外，兩個(gè) 結(jié)的位移電流只有在調(diào)頻使用條

13、件下才起作用等等 ”。在該書中， 同時(shí)給出了 PN 結(jié)在導(dǎo)通時(shí)的溫度變化趨勢(shì)， 現(xiàn)只引用結(jié)果： “對(duì)于硅 PN 結(jié)， 當(dāng)保持正向電流不變時(shí)，結(jié)溫每升高C,正向壓降低2mV ;而當(dāng)保持正向壓降不變時(shí)， 溫度每升高1C,正向電流增加7.8%。換言之，PN結(jié)正向壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，而正 向電流具有正溫度系數(shù)。正是 PN 結(jié)的這個(gè)基本溫度關(guān)系導(dǎo)致了某些結(jié)型器件（例如雙 極型功率晶體管、可控硅整流器、功率開關(guān)二極管以及雪崩二極管等）的熱不穩(wěn)定性， 甚至導(dǎo)致熱失效。我想，這可能就是某些功率器件要給出最大基極電流的主要原因。討論晶體管的飽和特性，是為了更好地理解晶體管的一項(xiàng)直流參數(shù)飽和壓降Vces 。晶體管

14、處于飽和狀態(tài)時(shí)，可近似看成是開關(guān)處于開啟狀態(tài)。這與直接導(dǎo)通是有區(qū)別的。 因?yàn)?，所有的半?dǎo)體模擬開關(guān)，永遠(yuǎn)做不到在開啟時(shí)完全與導(dǎo)線聯(lián)通完全相等。其原因 不說自明。 在處于晶體管飽和狀態(tài)時(shí)， 集電極與發(fā)射極之間的電壓降， 在工程上稱為 “反 向飽和壓降”記作：Vces ;而把基極與發(fā)射極之間的電壓降稱為正向飽和壓降”記作：Vbes 。飽和壓降是電流的函數(shù)，且與電流成正比。當(dāng)晶體管用于放大電路時(shí)，飽和壓 降對(duì)放大電路的動(dòng)態(tài)范圍有影響，這在音頻功放中尤其明顯，當(dāng)所選晶體管的電流較小 時(shí)，其不失真輸出功率受飽和壓降的影響，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此時(shí)如采用提高電源電 壓的方案，則就可能會(huì)出現(xiàn)晶體管 Pcm 的

15、超范圍使用，結(jié)果使整機(jī)的可靠性下降。因 此在對(duì)音頻功放的晶體管選型時(shí)飽和壓降是一個(gè)很重要的參數(shù)。此問題在正常使用中，同樣重要。例有些生產(chǎn)玩具的公司，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，控制電路采 用兩對(duì)功率晶體管，接成全橋形式。這種用法，在原理上是正確的。但在晶體管的工作 狀態(tài)設(shè)置、電源、電流的取值方面，往往出現(xiàn)問題。追究主要原因，是對(duì)晶體管飽和壓 降、放大的片面理解所致。在這種使用中，凡是出問題的，可歸納以下幾點(diǎn)：1.晶體管工作于大電流臨界飽和狀態(tài)，此時(shí)晶體管的功耗已達(dá)極限，隨著工作時(shí)間的延 長，晶體管的結(jié)溫升高，使元器件進(jìn)入惡性循環(huán)，晶體管就會(huì)永久失效。解剖這類晶體 管，往往可見是超功耗損壞；2 .在此種應(yīng)用電

16、路中，晶體管往往工作在大電流狀態(tài)，而晶體管的放大，是在一種特定 的條件下測(cè)的，在晶體管工作在大電流時(shí)，放大將會(huì)下降。此時(shí)如果驅(qū)動(dòng)不足，則晶體 管就會(huì)工作在放大區(qū)，這樣，晶體管很快就會(huì)因超功耗而失效。嚴(yán)重時(shí)，通電后不到1分鐘，晶體管就冒煙了。3. 應(yīng)用時(shí)對(duì)電機(jī)是感性負(fù)載的認(rèn)識(shí)不足，只計(jì)算正常工作時(shí)，晶體管的狀態(tài)，而忽略了 電機(jī)反向工作過程時(shí)，產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)晶體管的影響。當(dāng)晶體管用于開關(guān)電路時(shí)，對(duì)飽和壓降就更要重視。在這里，不談飽和壓降與 tstdtf 等開關(guān)參數(shù)密切相關(guān)， 只說一下飽和壓降對(duì)電路的實(shí)際影響原理：當(dāng)晶體管用于開關(guān)電 路時(shí)，一般，因電源電壓較高，故此時(shí)晶體管的動(dòng)態(tài)范圍已不是主問題。問題往往出在 轉(zhuǎn)換的過渡區(qū)。在這種使用模式時(shí)，晶體管在導(dǎo)通時(shí)，往往處于深飽和狀態(tài)。當(dāng)在晶體 管基極注入反向電流時(shí)， 首先要在基區(qū)復(fù)合掉多余的電荷，然后電荷才會(huì)對(duì)集電結(jié)產(chǎn)生 影響。飽和越深，則復(fù)合這些電荷的時(shí)間也越長（這就是晶體管 ts 的物理模型）。在 此種情況下， 如果基極的反向驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)間不夠或幅度不足， 就會(huì)延長晶體管在過渡時(shí)， 經(jīng)過放大區(qū)的時(shí)間。 這對(duì)用于高壓情況時(shí)的晶體管來講是非常危險(xiǎn)的。 至少會(huì)使晶體管 的失效率明顯升高。因此，當(dāng)晶體管應(yīng)用于這種電路時(shí)，除了要對(duì)晶體管的選用加以注 意外，同時(shí)也要關(guān)注驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)晶體管的