三极管的耐压与hFE之间是什么关系？

Posted 2021-11-23 卓晴

简 介： 于三极管的电流增益在正向与反向（也就是将C,E对调）的变化通过实验测量，观察到其中的数据的分散。对于三极管的CB，EB的PN的反向击穿电压进行测量，他们与电流增益之间的也是没有明显的相关关系。

关键词： hFE，BJT，PN结，反向击穿电压，电流增益

 

§01 BJT正反特性

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一、BJT正反对称吗？

  从基本结构上，双极性三极管（Bipolar Junction Transistor），无论是NPN还是PNP型，关于基极（base）是对称。但如果将集电极(collector)，发射极（emitter）进行对换，三极管的特性参数会出现变化，最为突出的参数是：

• 电流放大倍数hFE（β）；通常情况下，正向的hFE比起反向（也就是将C,E对调）要大；
• 集电极反向击穿电压；通常情况下，集电极的反向电压远大于发射极反向击穿电压；

  上述不同主要来自于BJT三极管实际结构以及制作C,E半导体的工艺不同。

▲ 图1.1.1 BJT符号表示与实际工艺示意图

  那么，有一个问题：两个方向的电流放大倍数的差异与反向击穿电压的差异有关系吗？

  如果回答这个问题，只需要从半导体基础理论，推导出三极管决定hFE、PN反向击穿电压决定参数便可以得到答案。

  当然对于这个问题，也可以从非专业角度，直接测试一批三极管的上述参数，可以检查它们之间是否具有相关联性。

二、测量hFE方法

1、测量hFE

  最简单测量BJT电流放大倍数就是使用带有测量hFE功能的数字万用表进行测量。

  根据 How to Measure Gain (β) of a BJT 给出的测量BTJ电流增益电路图，搭建测量电路图。

（1）测量NPN型三极管hFE

  下图中参数设置：

$$R_1=R_4=1k\Omega ,R_3=R_5=R_2=100k\Omega$$

▲ 图1.2.1 用于测试的2N3904测试结果

  三极管$Q_1$的基极被运放固定在GND。假设它的发射极的电压为Vb，那么考虑第一个运放，它的正，负输入端都为Vb。根据R3=R5，所以它的输出电压$V_O$与输入$V_A$满足：
$$\frac{1}{2}\left(V_O+V_A\right)=V_{EB}$$

  那么：$$V_O=2V_{EB}-V_A$$

  这样可以计算出$I_E$的大小：$$I_E=\frac{V_{EB}-V_O}{R_1}+\frac{V_{EB}}{R_4}=\frac{V_A}{R_1}$$

  上式化简过程使用到$$R_1=R_4$$

  第二个运放输出：$V_B=I_B\cdot R_2$。综上，可以获得待测三极管的电流增益为：$$h_{FE}=1+\frac{V_A}{V_B}$$

（2）测量PNP型三极管hFE

  测量PNP型BJT三极管的hFE，只要将上面的V+修改成负电压就可以了。

2、搭建测试电路

（1）搭建测试电路

  在面包板上搭建测量电路，其中的双运放使用 LM358 构成。电路的工作电压为±9V。

▲ 图1.2.2 在面包板上搭建的测量电路

（2）测试三极管

  选择一个NPN三极管2N3904进行测试。 使用 晶体管测试助手 测量它的基本参数为。

▲ 图1.2.3 用于测试的三极管基本参数

（3）测试数据

  为了获得与上述晶体管助手测量的结果可比性，选取$V_A=2.1V$，这样三极管的$I_E=2.1mA$。

  测量得到$V_B=0.577V$。可以计算出三极管的hFE参数：$$h_{FE}=1+\frac{100\times 2.1}{0.577}=364$$

（4）测试三极管反向hFE

  如果还是维持测量电路工作电压为±9V，会出现Vb电压为负值，考虑到这种情况是三极管2N3904在方向后，也就是将C，E对调，B-E PN结反向击穿，造成的结果，将LM358的工作电压降低到±6V，这种现象笑出了。

测试条件：

Va：0.2V
Vb：2.942

  根据上述条件计算出2N3904的反向电流放大倍数：$$h_{F{E}^{\prime }}=1+\frac{100\times 0.2}{2.942}=7.8$$

  通过上述测量结果，可以看到，对于2N3904正向与反向的电流增益相差：$364/7.8=46.7$倍。

三、测量反向击穿电压

1、测量方法

  测量三极管的PN结反向击穿电压使用 希玛 AR907C绝缘电阻测试仪基本实验 的高压测量特性来测量。

▲ 图1.3.1 利用AR907C+数字万用表测量器件的击穿电压

2、测量结果

  利用上面测量方法，测量2N3904的PN结反向击穿电压。

PN结反向击穿电压：

E-B PN结：9.84V
C-B PN结：108.7V

  通过上述测量结果来看，2N3904 的EB，CB的PN结反向击穿电压相差$108.7/9.84=11.05$倍左右。

  初步来看，一个三极管的正向，反向的电流增益相差结果与CB，EB PN结反向击穿电压之间并没有数值上的直接关系。不过可以通过若干种不同的三极管上述数值关系来测量其中存在的关系。

 

§02 测试数据

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一、测试一组BJT数据

  选择手边的24钟三级丰润样品，分别测试它们对应的正向与反向的电流增益，CB-EB的PN结反向击穿电压。

▲ 图2.1.1 用于实验的三极管

1、测试方法

  通过以下步骤对于每个三极管进行测试。

• 使用晶体管特性模块测量三极管的管脚分布以及电流增益；
• 使用上面搭建面包板上的三极管测量电路elder三极管的正向与反向电流增益；
• 使用绝缘电阻测试表测量三极管的CB，EB反向击穿电压数值；

  然后对于结果在进行分析。

2、测量结果

晶体管 型号	电流 增益	管脚 分布	正向 电流增益	反向 电流增益	EB击 穿电压	CB击 穿电压
9012	57	PNP-ebc	406	23.98	11.03	70.4
9013	266	PNP-ebc	266	162	9.05	112.1
9014	366	NPN-ebc	394	7.45	9.84	186.1
9015	355	PNP-ebc	378	16.83	11.58	104.9
8050	256	NPN-ebc	260	51.5	9.03	126.6
8550	342	PNP-ebc	387	81	11.66	67.1
2222	254	NPN-ebc	233	33.47	8.17	151.2
3904	190	NPN-ebc	195	5.25	10.72	155.8
3906	192	PNP-ebc	181	8.5	11.13	100.0
A1015	369	PNP-ecb	407.5	16.1	11.53	108.4
C1815	375	NPN-ecb	383	6.81	9.81	192.1
C945	365	NPN-ecb	374	6.8	9.88	182.2
5401	181	PNP-ebc	186	3.62	10.96	214.2
5551	161	NPN-ebc	164	3.23	9.75	374.2
BC327	316	PNP-cbe	340	50.5	11.1	74.1
BC337	207	NPN-cbe	210	52.4	8.01	125.7
BC517	29.8k	NPN-cbe			17.71	155.1
BC547	315	NPN-cbe	324	6.13	11.05	165.5
BC548	380	NPN-cbe	383	11.2	8.52	134.1
BC549	360	NPN-cbe	335	5.84	10.93	173.9
BC550	376	NPN-cbe	348	7.2	11.01	157.2
BC556	370	PNP-cbe	409	17	11.02	99.1
BC557	323	PNP-cbe	334	8.63	9.37	113.2
BC558	427	PNP-cbe	348	6.32	8.39	76.7

  自己观察上面表格测量的数据，可以看到三极管的hFE的正向与反向的变化并没有太大的规律。而对应的CB，EB的PN的反向击穿

以上是关于三极管的耐压与hFE之间是什么关系？的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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