极限施压下的晶体管

变化和不确定是世界的主旋律，因此在工程设计中需要在很多指标上留有余量。比如在电路设计中，器件的最高承受的电压、电流、消耗功率、工作环境温度、湿度等指标需要根据实际电路留有一定的余量。

这个余量既不能够太多，否则就会带来器件在尺寸、价格上的猛增；也不能够太小，或者没有，这样就会使得设备寿命、可靠性大打折扣。

手边有一台简易高压发生器，可以产生0~4000V的直流电压，因此可以获得常见电子器件的承受高压下电流曲线。了解到电子器件数据手册耐压数值与其实际耐压，以及器件在高压击穿下的变化，可以帮助更加合理选择设备耐压数值。

二极管

二极管是常见到的单向导通的半导体器件，通常用于信号的整流、检波、电路钳位等。如果反向电压超过其耐压就会引起器件击穿。如果没有限流二极管则会由于功率上升而烧毁。

1N4005硅二极管

1N 400X系列的二极管是常用在信号整流的二极管。数据手册给定的反向击穿电压分别为：

1N4001: 50V；1N4002: 100V；

1N4003：200V；1N4004:400V；

1N4005：600V；4N1006:800V；

1N4007:1000V

下面分别测量手边1N4001，1N4007反向电压-电流曲线。

1N4001二极管反向电压超过200V时，反相电流急剧上升。并且随着反相电流的增加，电压出现复杂变化的情况。

1N4001反向电压电流曲线

1N4007的反向电流电流曲线呈现单调上升的趋势，当反向电压超过1650V的时候，二极管击穿。

1N4007反向电压电流曲线

根据1N4001,1N4007反向击穿电压测试结果可以看出实际器件耐压都比数据手册数值高。由于半导体器件的参数具有很大的离散性，器件实际耐压比数据手册高是为了保证在最坏的情况下仍然能够满足电路的工作电压。

另外一个标称为1N4004的二极管，通过实测会发现，它的反向耐压的数值居然与1N4007相同。说明器件生产商为了减少型号库存，将同规格的器件按照不同型号来出品。

不同型号的1N400X反向击穿电压曲线，

1N4004,1N4007的反向耐压曲线是相同

有的时候，对于二极管的反向耐压数值要求精度比较高，向TVS瞬变二极管通常用于抑制和吸收电路中瞬态高电压脉冲，用于保护电路。它的击穿电压需要能够比较精确。如果与标称值有较大的误差的话，在实际工作中就起不到保护电路的作用了。

手边的TVS二极管，型号为1.5KE100A，数据手册给定的反向击穿电压范围是：85.5~105V，典型击穿电压为95V。下面是实测反向电压电流曲线，它的击穿电压为96V，与标称值非常接近。

TVS1.5KE100A反向电压电流曲线

1N5404是一款中功率整流二极管，正向平均电流3A，反向耐压400V。下面是它的反向电压电流曲线：

1N5404整流二极管反向电压电流曲线

肖特基二极管前向导通电压比较低，用于整流可以提高整流效率。反向耐压比硅二极管低。

1N5817是一款整流肖特二极管，数据手册给定的反向耐压为20V。下面是它的反向耐压电流曲线。当电压接近60V时反相电流急剧上升，随着电流增加，反向电压反而下降，呈现明显的复阻抗特性。

1N5817肖特基二极管反压电流曲线

STPS3H100V 是另外一款反向电压较大的肖特基整流二极管。数据手册表明的反向电压大于100V，正向整流电流3A，电压0.327V。下图是它的反向电压电流曲线：

STPS3H100V高压肖特基二极管的反向电压电流曲线

发光二极管基本上不会工作在反向电压下。它们的反向耐压随着不同颜色而不同。下面是对几种不同颜色的LED的反向耐压进行测量结果。可以看到，蓝色LED反向耐压最低，红色，橘黄色LED的反向耐压很高。

不同颜色的LED反向击穿电压电流曲线

如果二极管反向耐压满足不了实际电路工作情况，可以通过串联两个二极管来提高二极管的反向耐压。

下面是将两个二极管串联，分别测量它们各自反向电压电流曲线以及串联后的电压电流曲线，可以看到反向击穿电压等于它们各自反向击穿电压之和。

二极管串联之后的反向电压电流曲线

有一种双向稳压二极管，通常用于电路的保护，逆变电路中反激电压的产生。它相当于将两个二极管反向串联在一起。从外表上来看它没有特别的极性标识，使用万用表的二极管档测量，它两个方向都呈现截止特性。

如果施加正向和反向电压，可以看到它的电压电流曲线在两个方面上基本一致。下图是对一种双向稳压二极管测量两个方向的击穿电压电流曲线。

双向稳压二极管的击穿电压电流曲线

三极管

三极管在电路中通常用于信号的放大、开关等。在数据手册上通常标有三个反向击穿电压数值：

（1）Vceo：在集极开路的情况下，集电极和发射极之间的击穿电压；

（2）Vcbo: 在发射极开路的情况下，集电极和基极之间的击穿电压；

（3）Vebo: 在集电极开路的情况下，发射极与基极之间的击穿电压；

三极管的三个反向击穿电压

虽然在形式上，三极管看似为两个反向的二极管串联，但在工艺上，三极管的发射集区、基极区、集电极区半导体性质和掺杂浓度不同，使得上面三个反向击穿电压不同，通常情况下它们之间的关系为：

Vcbo>Vceo>>Vebo

S8050是一款NPN小功率三极管，数据手册上给出的Vceo大约为25V，Vcbo为40V，而Vebo只有6V。下面是测量一个实际S8050三级的Vceo,V cbo的反向击穿电压电流曲线：

S8050 Vceo:大约45V

S8050 Vcbo:大约115V

可以看出Vcbo比Vceo大了将近三倍。如果仅仅从三极管的符号上来看，这个结果的确非常令人难以理解。因为Vcbo是测量集电极到基极之间的PN节反向击穿电压；Vceo看似是在C、B之间增加了一个B、E的正向导通的PN节，为何Vceo反而比Vcbo小了那么多呢？

具体原因就不再这儿展开讨论了。如果你感兴趣可以参见相关资料来进行分析。

通常情况下，三极管都是工作了电路中，不会有任何一个电极是悬空的。此时，三极管的耐压就和手册给定的击穿电压不同。

下面是在B、E之间连接一个偏置电阻，重新测量C、E之间的击穿电压。

在三极管be之间增加偏置电阻，测量Vce击穿电压

下图中给出了Rbe分别去2k,51k,100k的情况下，C、E的电压电流曲线。可以看到C、E的击穿电压位于Vceo与Vcbo之间。

所以在正常设计三极管电路的时候，需要根据等效的Rbe数值来对三极管的耐压余量进行选择。

在不同的Rbe的阻值下，Vce的击穿电压曲线

由于三极管的发射区掺杂浓度很高，B、E之间的反向击穿电压往往小于10V。

因此，在使用三极管的时候，如果错把集电极和发射极弄混，除了会引起电流放大倍数的下降之外，因为Vebo,Vceo的差异，电路中的三极管的也会被击穿。

和二极管一样，半导体器件的参数往往离散型很大。下面是两个不同批次的S8050的Vceb的耐压曲线。反向击穿电压相差30%左右。

两个不同批次的S8050Vceo的电压

8550参数是一款PNP型的三极管，它的数据手册给出的各极性击穿电压为：

Vcbo:40V；Vceo:25V；Vbeo:5V。下面是它对应的击穿电压曲线。对应的实测电压都比数据手册上大了一倍左右。

8550的不同极之间的击穿电压曲线

C1815是一款NPN型双极型三极管，数据手册给出的耐压数据为：Vcbo:60V; Vceo:50V；Vebo: 5V。下面是对应的测量耐压曲线。

C1815各个端口之间的反向击穿电压-电流曲线

2SC2383是NPN型中功率双极性三极管。数据手册给出的耐压极限数据为：

Vcbo:160V；Vceo: 160V；Vebo:160V。下面是相应的反向击穿电压测量曲线：

2SC2383各个端口之间的反向击穿电压-电流曲线

如果三极管的耐压不够，往往不能够通过三极管的串联来提高它的耐压等级。这主要是因为三极管是受控器件，串联之后的三极管在施加控制信号方面相对比较困难。

三极管可以并联使用以扩大电流容量，也可以组成达林顿管的形式来提高三极管的增益。

DB681是一款NPN型的达林顿管，它是由两个NPN三极管组成，第一个三极管的发射极连接到第二级三极管的基极。其中还集成有两个三极管的Rbe电阻。它的耐压为：Vceo=100V。

BD681达林顿三极管

下面是测量BD681的C、E之间的击穿电压电流曲线，可以看到这款达林顿三极管的实际Vceo为190V。

NPN型达林顿三极管BD681的C、E击穿电压电流曲线

DB682是一款PNP型号达林顿管，通常与BD681组成互补桥电路功率输出。它的C、E之间的击穿电压电流曲线如下图所示：

PNP型达林顿三极管BD682C、E击穿电压电流曲线

MOS管

现在用于高电压、大电流下基本上都使用MOS管。由于工艺和材料的差异，N沟道的MOS管可以做到耐压高、导通电流大。

IXFK38N80是一款大功率MOS管，称为HiPerFET Power MOSFETS。数据手册给定的参数为：击穿电压Vds = 800V，工作电流：38A。

下是测量该MOS管击穿电压与电流曲线，它的击穿电压与手册规定的数值基本一致。

IXFK38N80击穿电压电流曲线

通常情况下，MOS管耐压越高，导通电阻就越大，使得MOS的功耗增加。将MOS管与双极性三极管符合，就形成IGBT功率管，它可以在高耐压和低导通电阻两方面做到兼容。

G40N60是手边的一款IGBT，手册给出的击穿电压为。600V 。下图给出的击穿电压电流曲线显示实际的击穿电压在750V左右。

G40N60击穿电压电流曲线

IGBT中由于存在双极性三极管，它是利用少数载流子完成电流导通，所以IGBT的截止时间较长，无法工作在高频电路中。

近年来逐步推广的碳化硅MOS管可以有效的克服IGBT的频率低的问题，在高电压、低电阻、高频率各方面都具有优势。

C2M008012是一款碳化硅MOS管，在《碳化硅MOS管 》介绍过它的原理和特性。

C2M008012碳化硅MOS管

但是在前面推文中对它的击穿电压电流曲线测量存在问题，主要是当时所使用的高压电源功率太小造成的。

下图是重新测量的该期间的D、S机之间的击穿电压电流曲线，可以看到它的击穿电压大约是800V左右。它比起IGBT有着更高的工作频率和更低的低通电阻。

通过上面对于不同半导体击穿电压测量曲线可以看到它们在击穿过程中，存在着不同的阻抗特性；器件实际击穿电压与手册中给定的数值之间也有不同的差异。通过这些数据，在实际电路设计时，对于不同器件在电压等级余量选取提供依据。

常用整流二极管型号，有哪些重要参数？

整流二极管一般为平面型硅二极管，用于各种电源整流电路中。选用整流二极管时，主要应考虑以下重要参数。

（1） 最大平均整流电流IF ：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为1A。

（2） 最高反向工作电压VR ：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流(IR)剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。例如1N4001的VR为50V，1N4002-1n4006分别为100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的VR为1000V

（3） 最大反向电流IR ：它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。

（4） 击穿电压VB ：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压值。

（5） 最高工作频率fm ：它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定，若工作频率超过fm，则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。另有快恢复二极管用于频率较高的交流电的整流，如开关电源中。

（6） 反向恢复时间trr ：指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。

（7） 零偏压电容CO ：指二极管两端电压为零时，扩散电容及结电容的容量之和。值得注意的是，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管其参数的离散性也很大。手册中给出的参数往往是一个范围，若测试条件改变，则相应的参数也会发生变化，例如在25°C时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的IR小于10uA，而在100°C时IR则变为小于500uA。

普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。

开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。

二极管型号 用途 最高反向工作电压VR 最大平均整流电流IF

1N4001 硅整流二极管 50V, 1A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)

1N4002 硅整流二极管 100V, 1A,

1N4003 硅整流二极管 200V, 1A,

1N4004 硅整流二极管 400V, 1A,

1N4005 硅整流二极管 600V, 1A,

1N4006 硅整流二极管 800V, 1A,

1N4007 硅整流二极管 1000V, 1A,

1N4148 硅开关二极管 75V, 4PF,Ir=25nA,Vf=1V,

1N5391 硅整流二极管 50V, 1.5A,(Ir=10uA,Vf=1.4V,Ifs=50A)

1N5392 硅整流二极管 100V,1.5A,

1N5393 硅整流二极管 200V,1.5A,

1N5394 硅整流二极管 300V,1.5A,

1N5395 硅整流二极管 400V,1.5A,

1N5396 硅整流二极管 500V,1.5A,

1N5397 硅整流二极管 600V,1.5A,

1N5398 硅整流二极管 800V,1.5A,

1N5399 硅整流二极管 1000V,1.5A,

1N5400 硅整流二极管 50V, 3A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=150A)

1N5401 硅整流二极管 100V,3A,

1N5402 硅整流二极管 200V,3A,

1N5403 硅整流二极管 300V,3A,

1N5404 硅整流二极管 400V,3A,

1N5405 硅整流二极管 500V,3A,

1N5406 硅整流二极管 600V,3A,

1N5407 硅整流二极管 800V,3A,

1N5408 硅整流二极管 1000V,3A,

1S1553 硅开关二极管 70V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma,

1S1554 硅开关二极管 55V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma

1S1555 硅开关二极管 35V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma,

1S2076 硅开关二极管 35V,150mA,250mW, 8nS, 3PF,450ma, Ir≤1uA,Vf≤0.8V,≤1.8PF,

1S2076A 硅开关二极管 70V,150mA,250mW,8nS, 3PF,450ma, 60V, Ir≤1uA,Vf≤0.8V,≤1.8PF,

1S2471 硅开关二极管 80V, Ir≤0.5uA,Vf≤1.2V,≤2PF,

1S2471B 硅开关二极管 90V,150mA,250mW,3nS,3PF,450ma,

1S2471V 硅开关二极管 90V,130mA,300mW,4nS,2PF,400ma,

1S2472 硅开关二极管 50V, Ir≤0.5uA,Vf≤1.2V,≤2PF,

1S2473 硅开关二极管 35V, Ir≤0.5uA,Vf≤1.2V,≤3PF,

1S2473H 硅开关二极管 40V,150mA,300mW,4nS,3PF,450ma,

2AN1 二极管 5A, f=100KHz

2CK100 硅开关二极管 40V,150mA,300mW,4nS,3PF,450ma,

2CK101 硅开关二极管 70V,150mA,250mW,8nS, 3PF,450ma,

2CK102 硅开关二极管 35V,150mA,250mW, 8nS, 3PF,450ma,

2CK103 硅开关二极管 20V,100mA, 2PF,100ma,

2CK104 硅开关二极管 35V,100mA, 10nS,2PF,225ma,

2CK105 硅开关二极管 35V,100mA, 4nS,2PF,225ma,

2CK106 硅开关二极管 75V,100mA, 4nS,2PF,100ma,

2CK107 硅开关二极管 90V,130mA,300mW,4nS,2PF,400ma,

2CK108 硅开关二极管70V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma,

2CK109 硅开关二极管 35V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma,

2CK110 硅开关二极管 90V,150mA,250mW,3nS,3PF,450ma,

2CK111 硅开关二极管 55V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma,

2CK150 硅开关二极管 15V, Ir≤25nA, Vf≤1.2V,≤2PF,

2CK161 硅开关二极管 15V, Ir≤25nA, Vf≤1.2V,≤2PF,

2CK4148 硅开关二极管 75V, Ir≤25nA,Vf=1V,4PF,

2CK2076 硅开关二极管 35V, Ir≤1uA,Vf≤0.8V, ≤1.8PF,

2CK2076A硅开关二极管 60V, Ir≤1uA,Vf≤0.8V, ≤1.8PF,

2CK2471 硅开关二极管 80V, Ir≤0.5uA,Vf≤1.2V,≤2PF,

2CK2472 硅开关二极管 50V, Ir≤0.5uA,Vf≤1.2V,≤2PF,

2CK2473 硅开关二极管 35V, Ir≤0.5uA,Vf≤1.2V,≤3PF,

2CN1A 硅二极管 400V, 1A, f=100KHz,

2CN1B 硅二极管 100V, 1A, f=100KHz,

2CN3 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3D 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3E 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3F 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3G 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3H 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3I 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN3K 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CN4D 硅二极管 V, 1.5A,f=100KHz,

2CN5D 硅二极管 V, 1.5A, f=100KHz,

2CN6 硅二极管 V, 1A, f=100KHz,

2CP1553 硅二极管 Ir≤0.5uA,Vf≤1.4V,≤3.5PF,

2CP1554 硅二极管 Ir≤0.5uA,Vf≤1.4V,≤3.5PF,

2CP1555 硅二极管 Ir≤0.5uA,Vf≤1.4V,≤3.5PF

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