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晶体管的饱和状态和饱和压降

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  众所周知,一个普通的双极型晶体管——MMBT2222A-7-F有二个PN结、三种工作状态(截止、饱和、放大)和四种运用接法(共基、共发、共集和倒置)。对这两个PN结所施 加不同的电位,就会使晶体管工作于不同的状态:两个PN结都反偏——晶体管截止;两个PN结都导通——晶体管饱和:一个PN结正偏,一个PN结反偏——晶 体管放大电路(注意:如果晶体管的发射结反偏、集电结正偏,就是晶体管的倒置放大应用)。要理解晶体管的饱和,就必须先要理解晶体管的放大原理。

  从 晶体管电路方面来理解放大原理,比较简单:晶体管的放大能力,就是晶体管的基极电流对集电极电流的控制能力强弱。控制能力强,则放大大。但如果要从晶体管 内部的电子、空穴在PN结内电场的作用下,电子、空穴是如何运动的、晶体管的内电场对电子、空穴是如何控制的等一些物理过程来看,就比较复杂了。

  对 这个问题,许多教课书上有不同的描述。我对此问题的理解是:当晶体管处于放大状态时,基极得到从外电源注入的电子流,部分会与基区中的空穴复合,此时产生 的复合电流,构成了基极电流的主体。由于此时晶体管是处于放大状态,故集电结处于反偏。又因集电结的反偏,就在此PN结的内部,就形成了一个强电场,电场 的方向由集电极指向基极,即集电极为正,基极为负。也就是说,在此PN结(集电结)联接集电极的一端,集中了大量带正电的空穴。当从基极注入的电子流进入 基区后,一部分与基区内部的空穴进行了复合,而大部分电子则在强电场的作用下,被“拉”到了集电极,这种被电场“拉”到集电极的电子流,构成了集电极电流 的主要组成部分。由于从基极注入的电子流,只有很少一部分在基区被复合,大部分电子是在集电结的强电场的作用下,集中到了集电极,构成了集电极电流的主 体,所以,此时的集电极电流要远大于从基极注入的电流,这就是晶体管放大功能的物理模型。此时,是以NPN型晶体管进行举例。如果是PNP型晶体管,则只 要把晶体管的极性由正换成负就行。

  如果要从基极电流、集电极电流、发射极电流的组成、流动,PN结的能级等等方面来讲清晶体管的放大机理,就更复杂了。这在许多专业的教课书都有解释。

  现在的问题是:如果增大晶体管基极的电流注入,晶体管还能工作在放大区吗?如果不能,则晶体管会从放大状态,向什么状态过渡?另外,基极电流的注入,能不能 无限增加?也就是说,晶体管对基极电流有限制吗?限制的条件是什么?这就要从晶体管的放大状态,进入另一个状态的——饱和状态的讨论。在下面的讨论中,以共发射极电路进行。其它形式的放大电路,都可以用这种方法进行。

  众所周知,从晶体管的发射极、基极和集电极电位的关系中,可以非常方便地 对晶体管的工作状态作出判断。对处于共发射极放大的NPN型晶体管而言,集电极电位>基极电位>发射极电位时,晶体管工作于放大状态。随着基 极注入电流的增大,流出该管的集电极电流也就增大。此时流过负载电阻Rc的电流同时增加。此时,因晶体管工作于放大状态,故晶体管的集电极电流可用由下式 表示:

  Ic=Iceo+β*ib

  当忽略晶体管的反向漏电流Iceo时,

  Ic≈β*ib

  可见,随着基极电流的增加,集电极电流以基极电流的β倍同步增加。此时,串于集电极回路的电阻Rc上的压降,也就随着Ic增大而增大。因晶体管的集电极电位Vce=电源电压减去集电极Rc上的压降,即

  Vce=Vc—Ic*Rc;

  对于硅材料组成的双极型晶体管来讲,PN结的正向导通电压为0.7V,因此一般在工程中认为:当基极注入的电流,让晶体管的Ic与Rc的积满足下列公式时

  (Vce-Ic*Rc)-Vb≦0V(注意:此时集电结近似零偏压,已不是原来的反偏状态了)

  式中:Vce为晶体管集电极——发射极间的电压,

  Vb为晶体管基极的电压。

  就认为此晶体管已开始进入饱和状态。但因这时晶体管的Ic仍能随着Ib的增大而增大,只是已不符合Ic=Iceo+β*ib而已。这就是在工程中常说的“晶体管处于临界饱和状态”,又称“临界工作状态”。

  此 时如果继续加大基极的注入电流,晶体管的集电极电位将进一步降低,当出现晶体管的基极注入已不能使晶体管的Ic随之增大时(即(Vce-Ic*Rc)- Vb=常数时),我们就称此晶体管“进入深饱和状态”。此时,晶体管的基极电位为最高(此现象,对N-P-N晶体管而言。如果是P-N-P型晶体管,则只 要在所有电源前加一负号即可得出相同的结论),即晶体管的两个PN结均处于正偏状态。

  由此可以得出晶体管饱和的定义:当晶体管的两个PN结均处于正偏时,此晶体管就处于饱和状态。

  在 实际的放大应用中,如果放大电路是用于小信号放大,只要晶体管的静态工作点设置正确,晶体管一般不会进入饱和区。但如果晶体管放大电路处理的是信号幅值较 大的信号,例音频功放的输出级,则晶体管极有可能进入饱和区。此时,就会在输出波形上出现“削顶”现象。这就是因输入信号的幅值太高,晶体管进入饱和区 后,对信号失去放大作用,同时对信号产生限幅作用后的结果。

  由此可得出第一个问题的答案:随着基极电流的增加,晶体管的工作状态将由放大区向饱和区过渡,当基极注入的电流达到一定程度时,晶体管的饱和程度将加深。最后出现无论基极电流怎么增加,集电极电流将维持不变,此时,晶体管进入深饱和状态。

  在 以上叙述中,没有提到电流的量纲问题。也就是说,晶体管在小电流工作时,同样会出现饱和状态。实际上,晶体管的静态工作点设置偏左上方时,也就是当电路的 Vc较低、Rc较大时,晶体管就较容易进入饱和状态。也就是说,晶体管工作时的动态范围与所设置的晶体管工作点密切相关,而与晶体管的能流过多大的电流无 关。

  需要指出的是:在晶体管电路中,无论改变电路中的哪个参数,都会对晶体管的工作点产生影响。对此,有兴趣的可以自己计算和验证。

  这 里谈的饱和状态,是晶体管在工作中的一种物理特性。也就是说,晶体管的饱和状态,是晶体管的一种特性,此特性与晶体管的Icm无关。晶体管的Icm是不能 随外电路的设计而改变的,换句话说,晶体管的Icm对应用者来讲,是使用前就已由晶体管本身所决定的一项与晶体管安全使用密切相关的参数,而晶体管的饱和 状态,则是由外电路所提供的条件决定的。晶体管在饱和工作时,对晶体管的可靠性不一定会产生不良影响。例音频功放最大输出是在输出波形的失真达到10%时 测试的。此时用示波器观察,可见输出波形已出现严重的削顶。

  在前面的讨论中曾提到,加大晶体管的基极注入电流,能使晶体管从放大区向饱和 区过渡。基极电流能任意加大吗?回答是否定的。我查了一下现在的一些晶体管规格书,在极限参数这一栏里,许多功率型晶体管都增加了“最大基极电流”这一 项。对此参数为什么要进行定义?其理由是显而易见的。我想大概有以下几个原因:

  1.晶体管是电流控制型器件,从晶体管的结构上讲,基极的内引线是晶体管中最细的。这就决定了晶体管基极的电流容量是最小的。在实践中,也感到晶体管的发射结是比较脆弱的:发射结的反向击穿电压较低,基极电流不能过大,是发射结在使用中应考虑的问题之一。

  2.晶体管导通时,其基极电流的组成又是最复杂的,在《半导体器件可靠性》这本书中,有对基极电流的详细描述,现摘录如下:

  “硅 平面晶体管,基极电流成分是相当复杂的,当晶体管正常工作时,组成基极电流的共有十一种成份:1.基极总电流,2.发射区少子的复合和存贮电流,3.发射 结势垒产生-复合电流,4.发射结附近的产生-复合电流,5.发射结电容的位移电流,6.基区少子的复合和存贮电流,7.集电区少子的复合和存贮电 流,8.集电结势垒萄产生-复合电流,9.集电结电容的位移电流,10.发射区少子的扩散和漂移电流,11.集电区少子的扩散和漂移电流。”

  “这十一种基极电流成份均与温度有关。正因为这样,在晶体管参数中,凡是与基极电流Ib有关的参数,随温度变化一般均比较复杂,很难找到准确的定量关系,其原因就在于,对于不同结构,不同工艺制成的不同类型的晶体管,这些成份的温度关系是不一样的”。

  “上 述各基极电流分量在不同工作条件下或不同结构的晶体管中,所占的比重及其作用也是不同的。比如对微功耗晶体管,其工作电流往往是微安数量级,所以发射结势 垒的产生-复合电流及发射结附近表面的产生复合电流占重要地位。而对一般晶体管只有工作在小电流区时,此二项电流成份才予以注意。再如集电区少子复合和存 贮电流在线性放大区与总电流相比可以忽略,而在饱和区则是基极电流的主要组成部分。另外,两个结的位移电流只有在调频使用条件下才起作用等等”。

  在 该书中,同时给出了PN结在导通时的温度变化趋势,现只引用结果:“对于硅PN结,当保持正向电流不变时,结温每升高1℃,正向压降低2mV;而当保持正 向压降不变时,温度每升高1℃,正向电流增加7.8%。换言之,PN结正向压降具有负温度系数,而正向电流具有正温度系数。正是PN结的这个基本温度关系 导致了某些结型器件(例如双极型功率晶体管、可控硅整流器、功率开关二极管以及雪崩二极管等)的热不稳定性,甚至导致热失效。

  我想,这可能就是某些功率器件要给出最大基极电流的主要原因。

  讨论晶体管的饱和特性,是为了更好地理解晶体管的一项直流参数饱和压降Vces。

  晶体管处于饱和状态时,可近似看成是开关处于开启状态。这与直接导通是有区别的。因为,所有的半导体模拟开关,永远做不到在开启时完全与导线联通完全相等。 其原因不说自明。在处于晶体管饱和状态时,集电极与发射极之间的电压降,在工程上称为“反向饱和压降”,记作:Vces;而把基极与发射极之间的电压降称 为“正向饱和压降”,记作:Vbes。饱和压降是电流的函数,且与电流成正比。当晶体管用于放大电路时,饱和压降对放大电路的动态范围有影响,这在音频功 放中尤其明显,当所选晶体管的电流较小时,其不失真输出功率受饱和压降的影响,很难达到设计要求。此时如采用提高电源电压的方案,则就可能会出现晶体管 Pcm的超范围使用,结果使整机的可靠性下降。因此在对音频功放的晶体管选型时饱和压降是一个很重要的参数。

  此问题在正常使用中,同样重 要。例有些生产玩具的公司,在驱动电机时,控制电路采用两对功率晶体管,接成全桥形式。这种用法,在原理上是正确的。但在晶体管的工作状态设置、电源、电 流的取值方面,往往出现问题。追究主要原因,是对晶体管饱和压降、放大的片面理解所致。在这种使用中,凡是出问题的,可归纳以下几点:

  1.晶体管工作于大电流临界饱和状态,此时晶体管的功耗已达极限,随着工作时间的延长,晶体管的结温升高,使元器件进入恶性循环,晶体管就会永久失效。解剖这类晶体管,往往可见是超功耗损坏;

  2.在此种应用电路中,晶体管往往工作在大电流状态,而晶体管的放大,是在一种特定的条件下测的,在晶体管工作在大电流时,放大将会下降。此时如果驱动不足,则晶体管就会工作在放大区,这样,晶体管很快就会因超功耗而失效。严重时,通电后不到1分钟,晶体管就冒烟了。

  3.应用时对电机是感性负载的认识不足,只计算正常工作时,晶体管的状态,而忽略了电机反向工作过程时,产生的反向电动势对晶体管的影响。