晶体管降额
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三极管降额使用设计Transistor 's usage under rated values第十五事业部电器深圳工厂摘要：本文主要介绍了三极管的基础知识、主要参数、电路中的作用和三极管降额使用的注意事项。
[关键词]三极管；工作原理；关键参数；降额原理Abstract：This article mainly introduce the Transistor 's basic knowledge、main paremeters、functions in the circuit and the matters needing attention in using Transistor under rated values.[Key words]Transistor, Typical circuit, Theory about using capacitance under rated values1. 引言功率晶体管在遭受由于多次开关过程所致的温度变化冲击后会产生“热疲劳”失效。
使用时要根据功率晶体管的相关详细规范要求限制壳温的最大变化值。
为了防止二次击穿，对功率晶体管还应进行安全工作区降额。
根据晶体管最大安全工作区的特性曲线及降额因子，可用作图法求得功率晶体管降额后的安全工作区。
2. 半导体的基础知识2.1.半导体2.1.1半导体基础知识半导体器件是构成各种电子电路（包括模拟电路和数字电路、集成电路和分立元器件电路）的基础。
这些半导体器件主要是利用各种半导体材料制成的，例如硅（Si）和锗（Ge）等。
通常将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。
2.1.2 半导体特性热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻) 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。
(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。
(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
2.1.3半导体的共价键结构半导体的导电性能是由其原子结构决定的，围绕原子核旋转的最外层上的电子通常称为价电子，它决定了物质的化学特性和导电性；完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。
共价键中的两个电子，称为价电子。
价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。
这一现象称为本征激发。
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。
在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）2.1.3本征半导体导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：1）自由电子作定向运动→电子电流；2）价电子递补空穴→空穴电流自由电子和空穴都称为载流子。
自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
需要注意的是：1）本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2）温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。
所以，温度对半导体器件性能影响很大。
2.1.4杂质半导体在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。
与本征半导体相比，杂质半导体的导电性能将发生质的变化。
掺入的杂质主要是三价或五价元素。
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）2.1.4.1 N型半导体硅(锗) +磷→ N型半导体五价杂质原子只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键。
多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
2.1.4.2 P型半导体硅(锗) +硼 P型半导体三价杂质原子在与硅原子形成共价键，因缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。
三价杂质因而也称为受主杂质。
2.1.5 PN结及其单向导电性如果将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。
PN结中的两种载流子的运动，即多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动。
扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区域移动的现象。
空穴的移动方向与电场方向相同，电子的移动方向与电场方向相反。
随着扩散运动的进行，空间电荷区的宽度逐渐增大，而随着漂移运动的进行，空间电荷区的宽度逐渐减小，到达动态平衡时，扩散电流与漂移电流达到相等，则PN结中总的电流等于零，空间电荷区的宽度也达到稳定。
电位壁垒Ud的大小与半导体材料有关，硅材料约为（0.6-0.8）V，锗材料约为（0.2-0.3）V。
PN结的单向导电性1）假设在PN结上外加一个电压V，其正极接P区，负极接N区，这种接法为正向接法或正向偏置。
正向偏置2）假设在PN结上外加一个电压V，其正极接N区，负极接P区，这种接法为反向接法或反向偏置。
反向偏置综上所述：PN结加正向电压时，正向导通：电阻值很小，具有较大的正向导通电流，开关闭合。
PN结加反向电压时，反向截止：呈现高电阻，具有较小反向饱和电流，开关断开。
2.2二极管2.2.1二极管的伏安特性在PN结的外面装上管壳，再引出两个电极，就可以做成半导体二极管二极管的性能可以用它的伏安特性来描述。
流过二极管的电流I与加在管子两端的电压U 之间的关系曲线I=f(U)就是二极管的伏安特性。
一个典型的二极管伏安特性如下所示：1）正向特性：上图右半部分图示为二极管正向特性，当正向电压比较小时，正向电流几乎等于零。
只有当正向电压超过一定值时，正向电流才开始快速增长。
正向特性上的这一数值通常称为死区电压，其大小与二极管的材料及温度等因素有关。
一般硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管为0.1V左右。
2）反向特性：上图左半部分图示为二极管反向特性，二极管加上反向电压时，反向电流值很小，而且，在一定范围内，反向电流并不随反向电压而增大，故称为反向饱和电流Is，如果反向电压继续升高，当超过UBR以后，反向电流将急剧增大，这种现象称为击穿，UBR为反向击穿电压。
二极管击穿以后，不再具有单向导电性。
不过，发生击穿并不意味二极管损坏，实际上，在发生击穿时只要控制反向电流不过大，以免因过热而烧坏二极管，则当方向电压降低时，二极管的性能可能恢复。
2.2.2二极管的主要参数2.2.2.1最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。
IF的数值是由二极管允许的温升所限定。
使用时，管子的平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。
2.2.2.2 最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。
为了留有余地，通常将击穿电压UBR 的一半定为UR。
2.2.2.3反向电流IR指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。
通常希望IR值越小越好，反向电流越小，说明二极管的单向导电性越好。
此外，由于反向电流时少数载流子形成，所以IR受温度的影响很大。
2.2.2.4 最高工作频率fMfM主要决定于PN结结电容的大小，结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。
二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。
这是因为如果二极管两端的电压发生变化，PN结中存储的电荷也将随之变化，如同一个电容一样。
这种电容效应应用PN结的结电容来表示。
二极管结电容的值通常为几皮法至几十皮法，有些结面积大的二极管结电容可达几百皮法。
2.2.2.5反向恢复时间TRR由于二极管中PN结电容效应的存在，当二极管外加电压极性翻转时，其原工作状态不能在瞬间完全随之变化。
特别在外加电压从正向偏置完成反向偏置时，二极管中电流由正向变成反向，但其翻转后瞬间有较大的反向电流，经过一定时间反向电流才会变得很小。
下图中IF 为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，TRR为反向恢复时间。
2.3稳压管如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流有一个比较大的变化量△I时，管子两端相应的电压变化量△U却很小。
利用这一特点，可以实现‘稳压’作用。
因此，稳压管实质上也是一种二极管，但是通常工作在反向击穿区。
2.3.1稳压管的主要参数：2.3.1.1 稳定电压UZU Z是稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。
稳定电压U Z是挑选稳压管的主要依据之一。
由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化，所以测试U Z时应使稳压管的电流为规定值。
不同型号的稳压管，其稳定电压的值不同。
对于同一种型号的稳压管，由于制造工艺的分散性，各个不同管子的U Z也有些差别。
2.3.1.2 稳定电流I ZI Z是使稳压管正常工作时的参考电流。
若工作电流低于I Z，则管子的稳压性能变差；如果电力高于I Z，只要不超过额定功耗，稳压管可以正常工作。
一般来说，工作电流较大时稳压性能较好。
2.3.1.3 动态内阻r z指稳压管两端电压和电流的变化量之比，即r z=△U/△I，显然，稳压管的r z值越小，则稳压性能越好。
对于同一个稳压管，一般工作电流越大，其r z值越小。
通常说明书中给出的r z值是在规定的稳定电流之下得到的。
2.3.1.4. 额定功耗PZ由于稳压管两端加有电压U Z，而管子中又流出一定电流，因此要消耗一定的功率。
这部分功耗转化为热能，使稳压管发热。
额定功耗PZ决定于稳压管允许的温升。
有的手册上给出最大稳定电流IZM 。
稳压管的最大稳定电流IZM与耗散功率PZ之间存在以下关系I ZM =PZ/U Z。
2.3.1.5. 电压的温度系数a Ua U表示当稳压管的电流保持不变时，环境温度每变化1℃所引起的稳定电压变化的百分比。
一般来说，稳定电压大于7V的稳压管，其a U为正值，即当温度升高时，稳定电压值将增大。
稳定电压小于4V的稳压管，其a U为负值，即当温度升高时，稳定电压值将减小。
而稳定电压在4V-7V之间的稳压管，a U的值比较小，表示其稳定电压值受温度的影响较小，性能比较稳定。
2.3.2 稳压管使用注意事项1）.应使外加电源的正极接管子的N区，电源负极接P区，以保证稳压管工作在反向击穿区。
2）.稳压管应与负载电阻RL并联，由于稳压管两端电压的变化量很小，因而使输出电压比较稳定。
3）.必须限制流过稳压管的电流I Z，使其不超过规定值，以免因过热而烧毁管子。
