книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

5-7. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ РАСЧЕТА СДВИГА РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Рабочую точку, которая характеризуется совокупностью на­ пряжений и токов в отсутствие усиливаемых сигналов, выбирают на статических характеристиках транзистора. В реальных схе­ мах рабочая точка не может точно соответствовать теоретически выбранному положению, так как существует разброс параметров и статических характеристик. Приводимые в справочниках данные о транзисторах являются типовыми, средними; отклонение параметров реальных транзисторов от справочных может состав­ лять 20—30%, а иногда и сотни процентов (например, разброс по коэффициенту передачи ток базы 6jv часто составляет 100—

через сравнительно длительные промежутки времени (месяцы, годы); ползучесть — в изменении параметров через более короткие промежутки времени (минуты, часы), определяемые продолжи­ тельностью установления зарядов на поверхности и в нерабочих областях кристалла при включении напряжений питания. Наи­ более существенной причиной сдвига рабочей точки в транзистор­ ных каскадах является температурная нестабильность параметров, которая подробно рассматривалась в § 5-6.

Постоянные составляющие токов и напряжений, характеризую­ щие рабочий режим транзисторного каскада, можно определить на основании эквивалентных схем для большого сигнала (рис. 5-3 и 5-4). Сдвиг рабочей точки, т. е. отклонение режимных токов и напряжений от номинальных значений, обусловленное изме­

основании эквивалентной схемы транзистора для большого сиг­ нала (рис. 5-4),

190

В эквивалентной схеме рис. 5-18 изменение напряжения на эмиттерном переходе Ug, вызываемое изменением тока 1д, опре­ деляется дифференциальным сопротивлением эмиттерного пере­ хода гд. Отклонение же напряжения Ug от номинального значения,

ризуется эквивалентным источником напряжения Дсрэ. Генератор тока (Зл>А/б отражает изменение тока носителей в коллекторной цепи, которое происходит при изменении тока базы. Отклонение

лять эти отклонения как разность соответствующих значений токов и напряжений, а не как дифференциальное приращение.

Определим отклонение напряжения на эмиттерном переходе от номиналь­ ного значения £/э , вызванное разбросом характеристик транзистора и изме­ нением его параметров. Используя выражение (4-20), можно показать, что отклонение эмиттерного напряжения

Как здесь, так п в последующих формулах дополнительным индексом 1 отмечены величины параметров, не совпадающие с номинальными значе­ ниями.

В эквивалентной схеме рис. 5-18 изменение эмиттерного напряжения, определяемое первым слагаемым выражеипя (5-59),

Фг т - ^ ^ - ^ — ( 7 Э 1 — / э ) = г а Д / э ,

'э 1Э

учитывается сопротивлением эмиттерного перехода гд. Приращение же тока эмиттера, вызываемое остальными слагаемыми, можно найти, полагая, что высота потенциального барьера эмиттерного перехода изменялась на величину

и включить в эквивалентную схему генератор напряжения Дф3 . Этот генера­ тор отражает отклонение напряжения па эмиттерном переходе, вызываемое

191

как изменением температуры, так н разбросом параметров. Подставив тепло­ вой ток

в выражение (5-60), можно получить:

В эквивалентной схеме действие первого слагаемого отражено генерато­ ром тока fJjyA/g. Отклонение тока коллектора, обусловленное разбросом коэффициента передачи тока базы РЛ ,, обратного тока / к о н изменением этих параметров во времени п от температуры, представлено генератором тока

Отклонение параметров от номинального значения A $ N и Д/к0 склады­ вается из их разброса и изменений вследствие колебаний температуры, т. е.

192

велики и их приходится определять как разность соответствующих значений на границах заданного диапазона изменений темпера­ туры и разброса, а не как дифференциальные приращения. Сле­ дует отметить, что направление тока генератора AITN (1 + р\\0 и полярность напряжения генератора Дфэ показаны для случая, когда изменения параметров приводят в р-п-р транзисторах к уве­ личению тока коллектора, а в п-р-п транзисторах — к уменьше­ нию. Направление тока генератора р\\Д/с определяется направле­ нием приращения тока базы Д/с- С изменением направления тока Д/о следует изменять и направление тока генератора В,уД/с- При­ чем если условно выбранное направление AIQ не соответствует дей­ ствительности, то в расчетных соотношениях приращение Д/с получается со знаком минус (тем самым автоматически исключа­ ются ошибки, как и при расчетах методом контурных токов).

5-8. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Для устойчивой и надежной работы транзистора необходимо ограничить диапазон изменений температуры полупроводникового кристалла, токов и напряжений предельно допустимыми парамет­ рами [Л. 61]. Эти параметры разделяются на две группы: тепло­ вые и электрические.

Тепловые параметры

Тепловые параметры характеризуют устойчивость работы тран­ зистора в диапазоне температур. В справочниках указываются следующие тепловые параметры, необходимые для расчетов тран­ зисторных схем: максимально допустимая температура коллектор­ ного перехода, минимально допустимая температура окружающей среды, тепловое сопротивление прибора и его теплоемкость.

Максимально допустимая температура ТП_Л0П ограничена

температурой, при которой наблюдается аномальное изменение характеристик транзистора. Для германиевых транзисторов Тп л о п ограничивается критической температурой Г к р , выше которой наступает вырождение полупроводника. Для кремниевых тран­ зисторов аномальное изменение характеристик обычно наблю­ дается при температурах ниже Гь -Р , поэтому Тп д о п ограничивается величиной значительно меньше Г к р . Так как в транзисторах зна­ чительная часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода, то в справочниках указывается макси­ мально допустимая температура коллекторного перехода. Она достигает 90° С для германиевых приборов и 150° С для кремни­ евых.

Минимально допустимая температура Ттт ограничивается

тем, что при низких температурах в кристалле и соединительных контактах (в местах сплавления) из-за различия коэффициентов

температурного расширения появляются микротрещины, нару­ шающие нормальную работу транзистора. Большинство транзи­ сторов, выпускаемых в настоящее время, рекомендуется исполь­ зовать при температуре не ниже —60° С.

Тепловое сопротивление транзистора R T показывает, насколько

изменяется температура перехода на единицу мощности. Оно из­ меряется в °С/вт. Зная тепловое сопротивление RT, рас­ считать мощность Ррас, рассеиваемую переходом:

обычно указывается либо тепловое сопротивление между перехо­ дом и корпусом R N к, а иногда между переходом и окружающей

средой R N С.

Теплоемкость Ст показывает, какое количество энергии необ­ ходимо затратить, чтобы нагреть переход на 1° С. Ее величина из­

инерционность тепловых процессов.

Электрические параметры

Предельный режим работы транзистора характеризуется сле­ дующими электрическими параметрами: максимально допустимой мощностью, максимально допустимыми токами и максимально допустимыми обратными напряжениями. Эти параметры опреде­ ляются предельными величинами с учетом их статистического рас­ пределения.

Максимально допустимая мощность ограничивается макси­

мальной температурой перехода ТП д о п . В справочниках обычно указывается максимально допустимая мощность коллектора Рк доп, так как значительная часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода. Для определения допустимой величины Рк.доп набирается статистика по тепловому сопротив­ лению RT, определяется его максимальное значение Rт макс и затем по формуле (5-65) вычисляется

Из этого выражения следует, что с повышением температуры корпуса или окружающей среды Т максимально допустимая мощ­ ность должна быть уменьшена. Выделяемая на коллекторном пере­ ходе мощность Рк в ы д не должна превышать максимально допусти­

мую М О Щ Н О С Т Ь !

Рк. выд ^= Рк. ДОП'

1У4

В установившемся режиме мощность Р к . выд определяется фор­ мулой

ного распределения плотности тока по площади эмиттера или из-за вторичного пробоя.

Рассмотрим каждый из указанных факторов в отдельности. Максимальная температура перехода ТП_доп как фактор огра­ ничения тока используется в тех случаях, когда рассеиваемая на коллекторе мощность приближается к максимально допусти­

Уменьшение коэффициента передачи тока базы 6, которое на­ блюдается при увеличении тока эмиттера / э , а следовательно, и тока коллектора 1К, может снизить коэффициент усиления тран­ зисторного каскада настолько, что его применение окажется не­ целесообразным. Поэтому в транзисторах, предназначенных для работы в линейных усилителях, ток 1К приходится ограничивать величиной, при которой значение В еще достаточно велико.

Неравномерное распределение плотности тока по площади эмиттера является основным фактором, ограничивающим ток в мощ­ ных транзисторах. Суть этого явления заключается в следующем. Падение напряжения на объемном сопротивлении базы от тока основных носителей заряда приводит к тому, что смещение на эмиттерном переходе возрастает от центра к периферии. Действительно,

периферийные участки эмиттера работают при повышенных плот­ ностях тока (эффект оттеснения тока к краям перехода). Это может привести к локальному перегреву областей эмиттерного перехода,

прилегающих к периферийным участкам эмиттера, при средней плотности тока его значительно меньше допустимой. Чтобы предотвратить перегрев, приходится ограничивать ток эмиттера на уровне, определяемом допустимой плотностью тока для пери­ ферийных участков эмиттерного перехода.

По мере увеличения размеров эмиттера возрастает перепад напряжения вдоль эмиттерного перехода, поэтому эффект оттес­ нения тока особенно заметно проявляется у мощных транзисторов [Л. 8]. Для уменьшения этого эффекта в мощных транзисторах обычно используют так называемую многоэмиттерную структуру, которая состоит из большого количества (150—400) отдельных эмиттеров, соединяемых параллельно [Л. 6].

а)

пробоя).

В импульсных схемах ток базы IQ (t) = I 3 (t) — I 1 { (t) во время переходного процесса значительно больше, чем в установившемся режиме (ток коллектора в начальные моменты времени не успевает заметно измениться). Это сопровождается дополнительным увели­ чением перепада напряжения вдоль эмиттерного перехода и более неравномерным, чем в установившемся режиме, распределением плотности тока. Причем при отпирании транзистора перегружен­ ными оказываются периферийные участки эмиттера. При запира­ нии (во время переходного процесса), наоборот, плотность тока достигает наибольшей величины на центральном участке эмиттера, так как ток базы изменяет свое направление, и смещение на эмиттерном переходе возрастает от периферии к центру. Высказано предположение, что неравномерное распределение плотности тока является причиной образования вторичного пробоя, который на­ блюдается на коллекторной характеристике транзистора (рис. 5-20) при импульсном воздействии [Л. 8, 62]. Этот вид пробоя внешне проявляется следующим образом. При увеличении коллекторного

19&

напряжения наблюдается обычный лавинный пробой, способствую­ щий нарастанию тока / к (кривая а иа рис. 5-20). Когда ток кол­ лектора достигает сравнительно большой величины, напряжение на коллекторе резко уменьшается, и рабочая точка перемещается в область вторичного пробоя (кривая б на рис. 5-20). Этот эффект часто является причиной катастрофических отказов мощных тран­ зисторов. Поэтому из условий надежности работы транзистора ток в импульсе ограничивают величиной / к .Д О т исключающей на­ ступление вторичного пробоя.

Максимально допустимое обратное напряжение ограничивается

напряжением, соответствующим предпробойному состоянию. Как и для одиночного р-п перехода, возможны тепловой и электриче­ ский пробои (см. § 3-5).

Тепловой пробой характерен для мощных транзисторов с вы­ соким пробивным напряжением. Этот вид пробоя развивается при сравнительно большом запирающем смещении на коллектор­ ном переходе вследствие тепловой неустойчивости режима работы транзистора. Если рассеиваемая мощность Р„, меньше выделяе­ мой мощности Р„ в ы д , то начинает повышаться температура коллек­ торного перехода. С повышением температуры перехода увеличи­ вается тепловой ток и возрастает выделяемая мощность. Это спо­ собствует еще большему повышению температуры, а следовательно, увеличению теплового тока и т. д. Наступает тепловая неустой­ чивость, которая и приводит к тепловому пробою, проявляющемуся в виде резкого нарастания тока коллектора. Чтобы предотвратить тепловой пробой, необходимо обеспечить выполнение условия

dP к ^ к . в ы д /с сс\

Мощность, рассеиваемая транзистором, определяется выраже­ нием

* " = т £ г ( Г п - г > .

Следовательно,

197

Из известных видов электрического пробоя (§ 3-5) транзисторам свойствен лавинный пробой. Напряжение пробоя зависит от схемы включения транзистора, и, как правило, оно меньше, чем в оди­ ночном р-п переходе. Это результат своеобразного нарастания потока неосновных носителей заряда, поступающих в базу для нейтрали­ зации заряда основных носителей.

Напряжение пробоя коллектор­ ного перехода транзистора при работе в активной области можно опреде­ лить, пользуясь эквивалентной схе­ мой, которая приведена на рис. 5-21. Эта схема получена на базе Т-образ­ ной эквивалентной схемы транзисто­ ра. В нее включен дополнительный генератор iK и , ток которого отра­ жает ионизацию атомов подвижными носителями заряда в коллекторном переходе. К зажимам транзистора

подключены внешние сопротивления R 3 , R 5 и R u , которые вклю­ чаются в схему усилителя. Можно показать, что ток коллектора равен:

— коэффициент токораспределения в выходной цепи (в большин­ стве практических схем yBblx ~ 1, так как обычно R K +

,(Дб + ro) (Дэ + Га) Дд + Гб + Дэ + '-э

Из выражения (5-68) видно, что при

198

в равенство (5-69) выражение коэффициента передачи тока эмит­ тера

аНОМ

получим формулу для определения напряжения пробоя коллек­ торного перехода

в цепи базы напряжение пробоя коллекторного перехода уменьша­ ется. Физическая причина уменьшения UK п р 0 б заключается в сле­ дующем. В электронно-дырочном переходе умножение носителей заряда начинается при напряжениях, значительно меньших, чем напряжение лавинного пробоя U1<n. В одиночном переходе этот процесс становится неустойчивым при напряжении UK л , соответ­ ствующем началу многократного умножения носителей в переход­ ном слое. В транзисторе же неустойчивость лавинного умножения наступает при меньших напряжениях из-за усиления тока: основ­ ные носители заряда, которые возникают в коллекторном переходе вследствие ионизации атомов, поступают в базу. Если сток основ­ ных носителей заряда через базовый контакт ограничен, то часть из них остается в базе. Для нейтрализации заряда оставшихся носителей через эмиттерный переход поступают неосновные носи­ тели заряда. Пересекая базу, они попадают в коллекторный пере­ ход, где могут ионизировать новые атомы и т. д. Таким образом, происходит усиление тока ионизации £к. и. способствующее лавин­ ному нарастанию тока коллектора при напряжениях, меньше чем

оставшихся в базе основных носителей заряда и тем меньше на­

До такого низкого уровня падает напряжение пробоя для тран­ зистора, сопротивление в цепи базы которого значительно больше сопротивления в цепи эмиттера.

1 Наименьшее напряженно лавинного пробоя принято отмечать допол­ нительным индексом а, так как оно определяется пз условия a = 1.

199