半导体晶体管电路设计须知(一)

2012-03-26 13:53:55来源: 互联网

晶体管参数在实际使用中的意义

  做模拟电路的工程师,都有过使用晶体管(场效应管也是晶体管中的一种)、运放的经验和体会。尤其是在设计时,更会对晶体管的一些电参数进行测试和考量。在测试时,许多人对晶体管电参数的实测值与规格书所提供的规范值,为什么会有很大差异,感到不可思议。有时,一些工程师会用实测值来要求供应商,也有一些工程师会把一些特殊参数作为常规参数进行处理。这样的后果就是整机产品一致性、重复性差,严重时还会出现达不到设计指标,更有甚者是在生产中出现大量损坏电子元器件的异常。此时,许多工程师都会把眼光钉住那些损坏的晶体管上,以为是晶体管的质量问题,导致的异常。殊不知晶体管的损坏,只是一个表面现象,而深层次的原因,往往是设计师自己造成的。引起这些问题的原因有很多,对工程师而言,在选用元器件时,对半导体器件电参数的片面理解,或许是个重要因素。

  晶体管的电参数,在常规情况下可分为极限参数、直流参数(DC)、交流参数(AC)等。但在实际的使用中,我发现还有许多想测而无法测量到的参数,为使工作方便,我便称其为“功能参数”。分别述之:

  一、极限参数

  所谓极限参数,是指在晶体管工作时,不管因何种原因,都不允许超过的参数。这些参数常规的有三个击穿电压(BV)、最大集电极电流(Icm)、最大集电极耗散功率(Pcm)、晶体管工作的环境(包括温度、湿度、电磁场、大气压等)、存储条件等。在民用电子产品的应用中,基本只关心前三个。

  1、晶体管的反向击穿电压

  定义:在被测PN结两端施加连续可调的反向直流电压,观察其PN结的电流变化情况,当PN结的反向电流出现剧烈增加时,此时施加到此PN结两端的电压值,就是此PN结的反向击穿电压。

  每个晶体管都有三个反向击穿电压,分别是:基极开路时集电极—发射极反向击穿电压(BVceo)、发射极开路时集电极—基极反向击穿电压(BVcbo)和集电极开路时基极—发射极反向击穿电压。

  此电参数对工程设计的指导意义是:决定了晶体管正常工作的电压范围。

  由此电参数的特性可知,当晶体管在工作中出现击穿状态,将是非常危险的。因此,在设计中,都给晶体管工作时的电压范围,留有足够的余量。实际上,当晶体管长期工作在较高电压时(晶体管实测值的60%以上),其晶体管的可靠性将会出现数量级的下降。有兴趣的可以参考《电子元器件降额准则》。

  许多公司在对来料进行入库检验时发现,一些品种的反向击穿电压实测值要比规格书上所标的要大出许多。这是怎么回事呢?

  晶体管在生产制造过程中,与一些我们常见的生产完全不一样。在晶体管的生产过程中,可以分成二大块:芯片制造和封装。在工程分类中,习惯把芯片制造统称为 “前道”,而把封装行业统称为“后道”。在前道生产中,从投料开始选原材料,到芯片出厂,一切控制数据,给出的都是范围。芯片在正常生产时,投料的最小单位是“编号批”,每批为24或25片4英寸到8英寸直径的园片。就以4寸片为例,每片可出合格的晶体管只数少则上千,多则可近10万。在实际生产中,最小生产单位是“扩散批”,一个扩散批所投的园片从150片到250片之间。可以想象出,在芯片的前道生产中,每次投料,对以单只来计算的晶体管而言,是一个什么样的数量概念。不说别的,要让一个扩散批所有的材料,具有相同的电特性(这里,也可以说是硅片的电阻率),是不可能的。加上硅片中,不可避免的会有一些固有的缺陷(半导体晶格的层错和位错),使得在几乎相同环境中生产出的同一品种的晶体管,不可能具有完全相同的电特性。这样只能给出一个大家都能接受的范围,这就是产品规格书。

  为了提高生产效率,现在许多芯片厂都把芯片的“免测率”作为生产线工序能力的一项重要考核指标。所谓的“免测”,是指产品的参数靠设计、工序控制来达到,加工结束后,通过抽测部分相关点的参数,来判断此片的质量情况。当此片的抽测合格率在96%以上时,就把此片芯片列入“免测片”。要使晶体管芯片达到免测试,就必须对其中的一些参数进行“余量放大”。而晶体管的反向击穿电压就是重点之一。为了提高晶体管的反射击穿电压,芯片投料时,就会对材料进行优化,优化的考虑是在最差的工艺加工情况下,所生产出的晶体管反向击穿电压也要比规格书高10~20%,而在生产控制时,为了达到生产工艺设计时的指标,又会考虑在最差的情况下,使产品能够达到设计要求,这样,就使已经被放大过一次的指标再次被大10~20%。这样,就使原来只要求反向击穿电压达到20~30V的晶体管,在实测时,部分就能达到60V以上,甚至更高。这就是为什么有时一些晶体管的反向击穿电压实测值会远大于规格书的原因。尽管一些晶体管的反向击穿电压值远大于规格书,那么,是否就可以以实测值来作为使用的依据呢?回答是否定的。

  这是因为,所有的晶体管测试程序,都是以规格书上所提供的参数范围,来作为差别晶体管合格与否的标准。对反向击穿电压而言,只要比规格书上所规定的值大,就判为合格。如果你测量到的反向击穿电压要远高于规格书,不要以为供应商以后发给你的货,都是具有与此相同的电压特性,供应商所提供的商品,永远只会承诺以规格书为准,也只能是以规格书为准提供商品。规格书上所承诺的,是实际的,而其它,都是虚的。因此,建议在设计选型时,一定要以规格书为准,并留下足够的余量,而不是以实物的测试值为准。

  在一些高反压晶体管的规格书上,有些反向击穿电压以BVcer和BVcbr来表述。此种表述的含义是:

  BVcer ——基极与发射极之间,接有一只KΩ量纲的电阻,其它测试原理、测试条件与BVceo相同。同样,BVcbr在测试晶体管的C-B结的反向击穿电压时,其晶体管的发射极不是悬空,而是通过一只KΩ量纲的电阻接到“零电位”。晶体管的反向击穿电压高低的排列是: BVcbo≥BVcbr》BVcer》BVceo。


一、巧用晶体管测试仪增加高压包在路测量功能

  如果要增加高压包在路测量功能,将下图中K为反压测试按钮VBR、Rl、Q1、Ll、L2组成自激振荡电路,Dl、D2、D3与Cl、C2、C3、C4、C5、C6构成倍压整流电路,D4为次级线圈L4的整流电路。在次级空载的情况下,测试L4两端的输出电压为250Vp-p,频率约为5000 Hz。L3与L4输出电压之和大于400 Vp-p。

  改制方法:由于L4两端电压为中压,电流较小,而L3与L4输出电压之和大于400

  Vp-p,虽然电流也不大,但是从安全角度考虑,选用L4两端作为脉冲信号的输出端,引出两根带鳄鱼夹的导线作为测试信号线。

巧用晶体管测试仪增加高压包在路测量功能

  测试方法如下:  断开“高压包”初级任意一端,同时拔掉尾座(目的是断开灯丝绕组,因为灯丝电压很低,对于测试仪来说,相当于“高压包”次级负载短路),将测试仪信号引出夹夹在“高压包”的初级,按压反压测试按钮VBR,如果“高压包”内部无短路,外部负载也无短路,则测试仪表针偏转(只要偏转既可)。如果表针不偏转,则说明“高压包”内部或外部负载有短路,可用万用表R×1kΩ电阻档,红表笔接地,黑表笔分别测试“高压包”

  次级180V、12V、26V等整流二极管负极,大致判断几个“二次”供电电路有无短路。若表针指示均有一定阻值,则可以判断“高压包”内部短路,可去掉“高压包”进一步开路测试确认。

  说明:

  (1)所有测试过程,均应在主机不通电的状况下进行,否则,可能造成人身安全事故或者使故障扩大。

  (2)测试仪测量的范围,可以是任何开关电源、任何行扫描电路。所以对于VCD、DVD、显示器、复印机、录像机等,都有其用武之地。

  (3)对于“高压包”的层间短路,由于用万用表可以很方便的检查出来,所以本改进不测试层间短路,也不能测试。

  (4)测试仪与“高压包”连接后测试时,测试仪自激振荡频率会变高,约为41.667kHz,电压为110Vp-p。

  这是由于“高压包”初级电感与测试仪次级电感并联及负载增大造成的,不影响测试结果。

二、堵住电流泄漏:摩尔定律在晶体管发展中继续有效

  1965年,戈登•摩尔预言,在一定大小的芯片上所能容纳的晶体管的数量每两年就会增加一倍,这就是所谓的摩尔定律。多年来这个定律一直在发挥作用。第一个集成电路(由德州仪器的杰克•基尔比发明,见图)还只是一个笨拙不堪的大家伙,而现在晶体管已需用纳米(1米的十亿分之一)来计量。人们以摩尔定律的发展速度创造了快速而智能化的计算机,图案漂亮并将世界联接在了一起。从摩尔博士创立这个定律的时候起,人类就进入了一个不可思议的信息技术时代。本来一个不经意的发现竟有如此强大的生命力。

其实它并不是一条真正的定律,而只是一种现象,一种对技术发展漫漫征程的描述,

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关键字:半导体  晶体管

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0326/article_15421.html
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