книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

(^маис). Так как в транзисторах подавляющая часть рассеивае­ мой мощности выделяется в коллекторном переходе, то

Рмакс^Л«.макс где Л<.макс — максимальная мощность, рассеивае­ мая на коллекторном переходе.

Максимально допустимое обратное напряжение между кол­ лектором и базой транзистора Бк.б.макс используется обычно для расчета режима работы запертого транзистора или при включе­ нии его по схеме с ОБ с высоким сопротивлением во входной цепи.

Максимально допустимое обратное напряжение на переходе эмиттер — база £/а.б.макс используется для расчета режима ра­ боты, когда на входе действует запирающее напряжение (усили­ тели в режиме класса В, импульсные схемы). У сплавных тран­ зисторов напряжение Цэ.б.макс обычно мало отличается от Б'к.б.лакс, У диффузионных — величина t/э.б.макс может быть от долей вольта до нескольких вольт.

Максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером UK.э.макс обычно измеряется при условии короткого замыкания эмиттера с базой.

Величины параметров Бф-.б.маис, Бф.э.макс и £/э.б.макс даются для определенной температуры перехода или для диапазона темпе­ ратур окружающей среды; при повышении температуры эти на­ пряжения снижаются.

Максимальные значения токов, напряжений и мощности опре­ деляют границы области гарантированной надежной работы. Так как работа в предельном режиме соответствует самой низ­ кой надежности, то использование предельных режимов в схе­ мах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.

Конструктор должен выбирать такие величины напряжения, тока, мощности и температуры, при которых любые случайные выбросы тока или напряжения в схеме не превысят предельных значений.

Практика показывает, что при использовании полупроводни­ ковых приборов в облегченных режимах надежность их работы повышается в десятки раз по сравнению с надежностью в пре­ дельном режиме. Использование полупроводниковых приборов в совмещенных предельных режимах (например, по току и рас­ сеиваемой мощности) не допускается.

§ 3 .4 . ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТРАНЗИСТОР.

ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Диапазон рабочих температур транзисторов так же, как и диодов-, определяется температурными свойствами р—я-перехо- дов. Температура р—д-переходов, в свою очередь, зависит от температуры окружающей среды и от электрической мощности,, которая рассеивается в переходе в виде тепла.

40

С изменением температуры транзистора практически изме­ няются все его параметры. Но особенно сильно изменяется обратный ток коллекторного перехода / к0, величина которого определяется тепловой генерацией носителей и возрастает по экспоненте с увеличением температуры. Ориентировочно можно считать, что нулевой ток коллектора /к0 при повышении темпе­

= а/э+ / ко, т. е. режим работы транзистора с температурой изме­ няется. В отдельных случаях изменение /к0 может привести к на­ рушению нормальной работы схемы. Поэтому в схемах, предна­ значенных для работы в интервале температур, необходимо учи­ тывать изменение с температурой тока /к0 и принимать меры для стабилизации рабочей точки. При увеличении температуры вход­ ные характеристики транзистора тоже сдвигаются в область больших токов. В среднем можно считать, что величина их сме­ щения с температурой составляет примерно 2 мВ/град.

Следует учитывать, что увеличение тока с температурой, в свою очередь, приводит к дополнительному разогреву транзи­ стора, что опять-таки ведет к увеличению тока и еще большему разогреву и т. д. Возникает так называемая «тепловая обратная связь», которая может привести к выходу транзистора из строя.

При изменении температуры, помимо /к0, изменяются все основные параметры транзистора. Причем изменение парамет­ ров транзистора, находящегося в реальной схеме, обусловлено двумя причинами: сдвигом рабочей точки и, следовательно, из­ менением режима работы транзистора и непосредственно изме­ нением с температурой параметров транзистора при неизменной рабочей точке (/a = const, U1; —const). Характер изменения пара­ метров транзистора при изменении рабочей точки определяется статическими характеристиками транзистора и изменением с температурой тока /к0. Непосредственное изменение с темпера­ турой параметров эквивалентной схемы, измеренных в заданной точке, в значительной степени определяется конструкцией тран­ зистора и свойствами исходного полупроводникового материала (степень легирования, время жизни и т. д.).

Для разных типов транзисторов зависимости основных пара­ метров от температуры могут отличаться друг от друга. Коэффи­ циент усиления по току, как правило, с увеличением темпера­ туры возрастает незначительно или остается неизменным. Сопро­ тивление эмиттерного перехода с увеличением температуры возрастает. Действительно, вольт-амперную характеристику эмиттерного перехода приближенно можно записать так:

vUs_

г ~ г е кт

1э— 1 ос

.41

Отсюда

и э = к- у ( I ' 1 / » — l n /о)

и

Объемное сопротивление базы гс изменяется с увеличением температуры, поскольку изменяется удельное сопротивление полупроводника. Для кремниевых транзисторов характерно мо­ нотонное возрастание /д с увеличением температуры, для герма­ ниевых, как правило, Гб имеет максимум при температуре 20—70° С.

Некоторое возрастание удельного сопротивления полупровод­ ника с увеличением температуры обычно имеет место при пере­ ходе от примесной проводимости к собственной и объясняется уменьшением подвижности электронов н дырок за счет более частых столкновений с атомами решетки, амплитуда колебаний которых возрастает с температурой.

Температурная зависимость сопротивления коллекторного перехода гк определяется главным образом изменением времени жизни неосновных носителей. Как правило, сопротивление г„ максимально при комнатных температурах.

Для характеристики влияния рассеиваемой в транзисторе мощности на температуру кристалла введены тепловые пара­ метры транзистора, характеризующие устойчивость транзистора при работе в широком диапазоне температур.

1.Максимальная (предельная) температура работы транзи­ стора, которая зависит от максимальной температуры области коллекторного перехода 4.макс, так как здесь происходит выделе­ ние подавляющей части рассеиваемой мощности.

2.Минимальная температура 4.мин окружающей среды, вели­ чина которой устанавливается на основе расчетов и обработки результатов длительных испытаний приборов при различных рабочих температурах и электрических нагрузках.

3.Тепловое сопротивление переход — корпус Дт.п.к, которое показывает, на сколько градусов повысится температура пере­

хода относительно корпуса при рассеивании на переходе задан­ ной мощности:

іп— PRT.n.K> (3.9)

где tn — температура перехода; 4 — температура корпуса;

/?т.п.к — тепловое сопротивление в градусах на ватт пли в градусах на милливатт.

Тепловое сопротивление переход — корпус дается обычно для транзисторов и диодов средней и большой мощности, исполь­ зуемых с внешними теплоотводами.

42

Для транзисторов малой и средней мощностей (а также тран­ зисторов большой мощности без теплоотвода) дается тепловое сопротивление переход — окружающая среда.

Температура перехода определяется по формуле

где /с — температура окружающей среды.

Формулы (3.9) и (3.10) пригодны лишь для расчета средней температуры перехода. При работе транзисторов и диодов в ре­ жиме мощных импульсных нагрузок мгновенная температура перехода может значительно превышать среднее значение. По­ этому необходимо устанавливать такой режим работы, при ко­ тором мгновенное значение температуры не превышало бы допу­ стимого значения.

Высокие значения мгновенной температуры получаются при работе с очень короткими импульсами или импульсами с кру­ тыми фронтами; прибор может перегреться и выйти из' строя. Поэтому необходимо строго соблюдать содержащиеся в спра­ вочниках данные по ограничению длительности импульсов.

§ 3.5. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРА

Частотные свойства транзистора определяются в основном двумя факторами. Во-первых, сравнительно медленное диффузи­ онное перемещение неосновных носителей через базу и связан­ ное с этим относительно большое время пролета приводят к за­ держке коллекторного тока относительно эмнттерного и, следова­

вают емкости СІ(.Эи Ск.б, т. е. выходные емкости транзистора для схемы ОЭ и ОБ. Выходная емкость для схемы с общим эмитте­ ром СІ;,э примерно в ß раз больше емкости С„.ѳ (ß — коэффи­ циент усиления по току в схеме ОЭ), поэтому частотные свой­ ства схемы ОЭ значительно хуже, чем схемы ОБ.

Пролетное время равно времени диффузии инжектированных электронов для п—р—/г-транзистора или дырок для р—п—р- транзистора от эмиттера к коллектору и зависит от ширины базы

где /Пр — пролетное время; 117 — ширина базы транзистора;

D — коэффициент диффузии инжектированных эмиттером носителей заряда;

А — постоянный коэффициент, величина которого зависит от конструкции прибора.

43

Из формулы (3. 11) видно, что пролетное время очень сильно зависит от ширины базы, поэтому, казалось бы, для уменьше­ ния инерционности транзистора нужно делать базу как можно уже. Однако это справедливо только до определенного предела, поскольку с уменьшением толщины базы увеличивается паразит­

видно, что максимальная частота, с которой может изменяться напряжение на Rn, определяется .временем перезарядки коллек­ торной емкости, т. е. постоянной времени коллекторной цепи

скольку ОбЫЧНО Гк2> (Гб+ /?н) •

Из формулы (3.12) видно, что с уменьшением RB частотные свойства каскада улучшаются и при

Ті(—гоСк.

Постоянная ГбСк определяет частотный предел транзистора. Значение ГбСк обычно приводится в справочниках в качестве одного из параметров, характеризующих частотные свойства транзистора.

Основными параметрами, характеризующими частотные свойства транзистора, считаются предельная частота усиления транзистора по току f a и максимальная частота генерации /максfa — это частота, при которой величина коэффициента пере­ дачи транзистора по току в схеме с ОБ (а) уменьшается на ЗдБ (примерно в 1,4 раза) по сравнению со значением, измеренным

на низкой частоте.

Максимальная частота генерации /макс — наибольшая частота автоколебаний в генераторе на транзисторе. С достаточной точ­ ностью можно считать, что /макс — частота, при которой коэффи­ циент усиления транзистора по мощности равен единице. Макси­ мальная частота генерации связана с предельной частотой усн-

44

лейия по току. Для сплавных транзисторов это соотношение имеет следующий вид:

§,3.6. ИМПУЛЬСНЫ Е СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРА

При работе транзистора в импульсных режимах можно раз­ личать два крайних случая: работу в линейном режиме и в ре­ жиме переключения.

Обычно считают, что форма импульса коллекторного тока при работе в линейном режиме обусловлена частотными харак­ теристиками транзистора. Искажение импульса в нагрузке про-

Рис. 3. 13. Схема простейшего транзисторного ключа,

включенного по схеме с ОЭ (а), и семейство коллектор­ ных характеристик (б)

является в затягивании переднего и заднего фронта за счет пе­ резарядки емкостей транзистора.

В большинстве импульсных схем транзисторы работают в ре­ жиме переключения, или, как говорят, в режиме ключа, по­

во входную цепь управляющих сигналов. При работе в ключевом режиме рабочая точка транзистора перемещается из области на­ сыщения в область отсечки и обратно. При включении транзи­ стора ток инжектированных носителей возрастает настолько, что накопление заряда в базе становится весьма существенным явле­ нием, в значительной степени определяющим работу транзи­ стора.

45

На рис. 3.13 приведена схема простейшего ключа с транзи­ стором в схеме ОЭ и соответствующие ключевому режиму поло­ жения рабочих точек на семействе коллекторных характеристик: точка А — ключ разомкнут, транзистор в области отсечки, ток через него мал; точка В — ключ замкнут, транзистор в области насыщения. Напряжение на транзисторе мало, а ток макси­ мально возможный в данной схеме

Качество транзисторного ключа определяется минимальный! напряжением на транзисторе в открытом состоянии и минималь­

o f

где / КіІІ — ток коллектора, соответствующий границе насыщения.

Если глубина насыщения возрастает, т. е. увеличивается ток базы, соответственно и ток эмиттера, то возрастает и заряд, ин­ жектированный в базу. В базе транзистора происходит дополни­ тельное накопление заряда, что приводит к большей инерцион­ ности транзистора при его выключении, поскольку для удаления накопленного в базе заряда потребуется большее время. Выход транзистора из насыщения имеет много общего с рассмотренным раньше процессом выключения полупроводникового диода.

На рис. 3.14 показаны диаграммы базового и коллекторного токов, а также распределение инжектированных дырок в базе транзистора для трех случаев:

1./бі = /б.н, т. е. рабочая точка находится на границе активной области и области насыщения.

2.І5 2 >Іб.н, т. е. рабочая точка находится в области насы­ щения.

3./бз>/б2, т. е. эмиттерный ток увеличился, рабочая точка находится еще глубже в области насыщения.

46

дырок около эмиттера определяется напряжением на эмнттерном

( еЛ>)

переходе \р„3 = рп0е кт) . Концентрация дырок около коллек­

Рис. 3. 14. Форма кривых коллекторного и базового токов

(а) и распределение инжектированных дырок в базе при импульсном сигнале (б)

Ток, идущий к коллектору через базу, диффузионный, зави­

сящий от градиента концентрации дырок в базе —— (т. е. танZT'

генса угла наклона прямой 1 на рис. 3.15) и равный

транзистора, вошедшего в режим насыщения, возрастет настоль­ ко, насколько увеличился базовый ток

Л>=^б + Лен-

47

Число инжектированных эмиттером дырок увеличивается, в базе дополнительно накапливается заряд (см. линию 2 рис. 3.14). Поскольку коллектор не в состоянии отводить все диффунди­ рующие к нему дырки (этому препятствует сопротивление в цепи коллектора), концентрация дырок около коллектора в режиме насыщения превысит равновесную (см. рис. 3.14,6).

Если базовый, а соответственно и эмиттерный ток увеличится еще больше (случай 3), то это приведет к еще большему накоп­ лению дырок в базе (линия 3 на рис. 3.15).

Процесс включения транзистора можно рассмотреть с точки зрения на­

капливаемого в нем заряда.

Если считать, что заряд в базе изменяется, главным образом, за счет ре­

комбинации и тока базы, который является разностным между токами эмит­ тера н коллектора, то можно записать

где Q— суммарный заряд неосновных носителей, накопленный в базе; т — эффективное время жизни носителей в базе.

Первый член правой части уравнения (3. 17) характеризует накопление носителей в базе за счет токов, протекающих через электроды транзистора, второй член характеризует убыль заряда за счет рекомбинации.

Решение уравнения (3. 17) при условии, что в начальный момент накоп­

ление отсутствовало, будет иметь вид

т. е. переходный процесс характеризуется постоянной времени, равной эффек­

тивному времени жизни носителей в базе транзистора. Со временем коллек­

торный ток возрастает экспоненциально, стремясь к установившемуся значе­

нию, равному ßcT^G- Однако, когда транзистор входит в режим насыщения,

Ек

коллекторный ток перестает изменяться, достигнув величины/к.н = Рк (см.

48

рис. 3. 15). Если считать, что включение транзистора заканчивается в момент, когда он входит в насыщение и коллекторный ток достигает величины / к.н, то из уравнения (3. 22) можно рассчитать соответствующую этому моменту дли­ тельность фронта.

Действительно,

На рис. 3. 15 показан этап формирования фронта при включении транзи­ стора для трех случаев, соответствующих рис. 3. 14.

и форма коллекторного тока и напряжения при выклю- ■ чении транзистора

При подаче на эмиттерный переход запирающего напряжения время включения транзистора будет зависеть от величины за­ ряда, накопленного в его базе. Рассмотрим подробнее процесс выключения транзистора.

В начальный момент, поскольку эмиттерный переход включен в обратном направлении, он будет работать, как коллектор, и через него будут выходить дырки, накопившиеся в базе (проис­ ходит разряд диффузионной емкости). Одновременно дырки исчезают вследствие рекомбинации в базе (рис. 3.16,а).

49