四:對(duì)一些異常現(xiàn)象的分析思路和實(shí)例

了解晶體管的電參數(shù)，是為了用好晶體管。什么叫用好晶體管？是一個(gè)智者見智，仁者見仁的問(wèn)題，我相信不會(huì)有唯一的答案。我想，作為電子應(yīng)用工程師，除了對(duì)晶體管有所了解，還必須對(duì)其它的電子元器件有所了解。在你設(shè)計(jì)的電路中，就是你對(duì)這些元器件理解的組合。在一個(gè)電路中，讓晶體管工作在比較合適的工作點(diǎn)上，發(fā)揮著比較佳性能，在完成所希望功能的同時(shí)，有較高的可靠性，對(duì)晶體管而言，基本就算用好了。實(shí)際上，晶體管只是我們通常使用的電子元器件中的一類，所有電子產(chǎn)品，都是各類電子元器件的有機(jī)組合體。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)一件電子產(chǎn)品時(shí)，就是把這些電子器件按人們的要求進(jìn)行組合。因各人對(duì)電子器件的理解不同，對(duì)同一類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念不同，就導(dǎo)致了功能各異、性能各異的電子產(chǎn)品。但從原則性角度上講，我認(rèn)為比較重要的是：要從“系統(tǒng)”的角度來(lái)看待在我們手中做出的產(chǎn)品。下面談?wù)勎矣H身經(jīng)歷過(guò)的幾件事。

一、在我負(fù)責(zé)收音機(jī)電路的售后服務(wù)時(shí)，曾碰到過(guò)這樣一種現(xiàn)象，生產(chǎn)線上流出的成品，在入倉(cāng)庫(kù)，抽檢中出現(xiàn)壞機(jī)，壞機(jī)的現(xiàn)象是調(diào)頻靈敏度下降，噪聲增大。經(jīng)查，是主IC的調(diào)頻輸入端已損壞。失效率在3%以上。對(duì)此，分析了IC芯片、組裝工藝、生產(chǎn)線的狀態(tài)，均無(wú)異常。

對(duì)IC芯片進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)，在輸入端有電場(chǎng)擊穿的痕跡。而對(duì)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行檢查、跟蹤，得出了都在該公司的質(zhì)量控制范圍的結(jié)論。而且，當(dāng)時(shí)的天氣并不是很干燥，找出這種高壓電脈沖是從哪里來(lái)的，就成了當(dāng)務(wù)之急。因?yàn)閱?wèn)題是在入庫(kù)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的，所以，就從比較后一道工序往前走。走了幾遍，沒發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。這時(shí)我就對(duì)每道工序都提了個(gè)為什么――“此工序要達(dá)到的結(jié)果是什么”，然后再問(wèn)一下自己，“此種操作，會(huì)引起IC的損傷嗎”？

帶著這樣的心情再走在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，果然就有收獲了：比較后一道工序，是包裝，而在包裝前，該公司為了收音機(jī)表面的清潔，幾乎對(duì)每臺(tái)機(jī)都用一種有機(jī)溶劑，進(jìn)行了擦試。用這種工藝對(duì)外接的拉桿天線進(jìn)行處理進(jìn)，產(chǎn)生的靜電則由于沒有泄放回路，而保留在整機(jī)中。當(dāng)這些電荷通過(guò)IC的高放電路對(duì)地（對(duì)電源同）形成泄放時(shí)，而此IC的高放，是整塊電路中比較薄弱的部分，所以就很可能使此IC損壞。想通后，就建議在此IC的高放輸入端接入了雙向保護(hù)二極管，問(wèn)題得到解決。

二、在某電源整機(jī)廠，在相同的輸出功率情況時(shí)，用晶體管Pcm較小（即芯片面積相對(duì)較小）的管子正常，而用Pcm較大（即芯片面積相對(duì)較大）的晶體管卻大量損壞的現(xiàn)象。解剖這些失效的晶體管，都是過(guò)功率型損壞。在該公司現(xiàn)場(chǎng)了解到的情況使我大吃一驚：
1.振蕩頻率達(dá)到了75KHZ以上，部分在90KHZ；
2.該公司為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)所有整機(jī)都進(jìn)行超功率1.2倍的高溫老化。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，此時(shí)，晶體管的Pcm已經(jīng)超出了規(guī)格書的數(shù)據(jù)。

對(duì)此，我作了如下解釋：
1.雙極型晶體管在用于開關(guān)電源時(shí)，受ts、tf等參數(shù)的影響，其振蕩頻率不能超過(guò)50KHZ，否則，晶體管在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，因通過(guò)放大區(qū)的時(shí)間太長(zhǎng)，晶體管的功耗會(huì)明顯增大，加上此電源又是處于密封狀態(tài)，在這些綜合因素的影響下，會(huì)使晶體管的失效率明顯上升；
2.考核時(shí)（尤其是在高溫環(huán)境下），不能讓晶體管工作在過(guò)功率狀態(tài)，至于說(shuō)，為了提高整機(jī)的可靠性而加大老化功率，則更是無(wú)從談起，因?yàn)椋匣皇且环N工藝篩選的手段，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，只能起到驗(yàn)證的作用。而且，在高溫環(huán)境中，對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)功率老化，有可能使正常的晶體管受損，反而降低了產(chǎn)品的可靠性。

3.綜合這些因素，我以為，只要使用這種方案，早晚要出事。所以當(dāng)時(shí)就給出了兩個(gè)方案：
1、客戶改線路，至少要把考核的功率降下來(lái);
2、改供應(yīng)商。因?yàn)槲夜井a(chǎn)品的性能達(dá)不到該整機(jī)廠的要求。

此例給我一個(gè)啟示：工程師在設(shè)計(jì)東西時(shí)，除了對(duì)整機(jī)要有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)外，對(duì)電子元器件也要有正確的認(rèn)識(shí)。不然，很可能是好心辦壞事。

三、某公司在一款交換機(jī)的電源制作中，出現(xiàn)輸出效率偏低的異常。一般，開關(guān)電源的振蕩頻率在35―50KHZ，此時(shí)常用肖特基管或快恢復(fù)二極管作為整流二極管（普通整流二極管的工作頻率小于1000HZ）。由于此電源的開路電壓較高，就選用了快恢復(fù)二極管（國(guó)產(chǎn)肖特基二極管的比較高反向擊穿電壓小于200V）。對(duì)此，我認(rèn)為是整流二極管的工作效率不夠而引起。但因沒有檢測(cè)設(shè)備，只能把這些異常的二極管帶回公司進(jìn)行測(cè)試。

首先，二極管的所有直流參數(shù)全部正常，但要對(duì)二極管測(cè)試交流參數(shù)，則必須在專用測(cè)試儀上進(jìn)行。而此類設(shè)備，一般在非專業(yè)生產(chǎn)廠家，是不會(huì)有的。當(dāng)時(shí)，考慮到普通的整流二極管與快恢復(fù)二極管肯定存在著某些差異，而要檢測(cè)這類差異的，只有一臺(tái)電容測(cè)試儀。于是就對(duì)比檢測(cè)了普通整流二極管4007與107之間的結(jié)電容大小。發(fā)現(xiàn)反饋樣品與4007的結(jié)電容量值幾乎相同，而與公司庫(kù)存快恢復(fù)二極管的結(jié)電容有明顯的差異。于是得出了可能是供應(yīng)商在發(fā)貨中出現(xiàn)了混料的結(jié)論。把這些客戶的反饋樣品交供貨商進(jìn)行檢測(cè)，得到了證實(shí)。


在前面所寫的《晶體管參數(shù)在實(shí)際使用中的意義》中，提到了晶體管的飽和壓降問(wèn)題，有網(wǎng)友對(duì)此問(wèn)題提出了不同意見。當(dāng)時(shí)，沒太在意。過(guò)后對(duì)此問(wèn)題又重新思考一下，同時(shí)，在網(wǎng)上看看對(duì)問(wèn)題的看法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，許多的理解是錯(cuò)誤的，一些解釋也是不完全的。因此，想對(duì)此問(wèn)題重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)。如有不同意見，歡迎討論。

眾所周知，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(lái)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。控制能力強(qiáng)，則放大大。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(guò)程來(lái)看，就比較復(fù)雜了。

對(duì)這個(gè)問(wèn)題，許多教課書上有不同的描述。我對(duì)此問(wèn)題的理解是：當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài)時(shí)，基極得到從外電源注入的電子流，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(shuō)，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，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(lái)講清晶體管的放大機(jī)理，就更復(fù)雜了。這在許多專業(yè)的教課書都有解釋。

現(xiàn)在的問(wèn)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(guò)渡？另外，基極電流的注入，能不能無(wú)限增加？也就是說(shuō)，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。