4.10. Власні шуми та шумові параметри транзисторів
В електричних колах струми та напруги мають невеликі безпорядні (хаотичні) коливання, які називаються електричними флуктуаціями. Вони спричинені тепловим рухом електронів. 3 підвищенням температури флуктуації збільшуються.
Теоретично й експериментально доказано, що шумовий струм є сумою змінних синусоїдальних складових з різними частотами від нуля до надвисоких. Але на виході електронних пристроїв появляється лише частина цих складових шуму, яка тим більша, чим ширша смуга пропускання пристрою.
На виxoді транзисторних схем шуми зростають внаслідок додавання власних шумів транзистора, що обмежує мінімальні сигнали, які ще можуть бути виявлені і підсилені, тобто чутливість пристроїв.
Повний власний шум транзистора має декілька складових. Це тепловий шум, дробовий шум, шум струморозподілу, рекомбінаційний шум.
Теплові шуми зумовлені тепловими флуктуаціями електронів, характер-ними для будь-якого резистора. Усі ділянки транзистора мають опір, на якому і виникають шумові напруги. Опори емітерної і колекторної ділянок порівняно малі, а тому головний внесок у формування теплових шумів робить опір бази rB, оскільки він увімкнений у вхідне коло і шум від нього підсилюється самим транзистором.
Дробові шуми спричинені флуктуаціями, інжекцією і екстракцією в емітерному та колекторному переходах; шуми струморозподілу - флуктуаціями розподілу емітерного струму між базою та колектором, а рекомбінаційні шуми зумовлені флуктуаціями рекомбінації.
Крім того, створюються додаткові шуми флуктуаціями струмів у поверхневих шарах напівпровідників (флікер-ефект) та деякими іншими явищами.
Для оцінки шумових властивостей транзисторів використовують коефіцієнт шуму Fш. Його визначають так само, як і для будь-яких чотири-полюсників.
Вплив шумів завжди характеризується відношенням потужності корисного сигналу Рс до потужності шумів Рш. На виході підсилювача потужності це відношення менше, ніж на вході, оскільки на виході ці обидві потужності підсилюються в GP разів, але до потужності шумів транзистор додає ще власний шум РШ.ТР. Коефіцієнт шуму показує, у скільки разів відношення потужності сигналу до потужності шуму на вході більше, ніж на виході:
Значення шуму вимірюють також у децибелах за формулою: F = 10 lg Fш .
Виготовляються спеціальні малошумові транзистори, які використовують у вхідних каскадах високочутливої апаратури..
4.11. Температурний режим та пробій бт
Для нормальної роботи транзистора необхідно, щоб у межах температурного діапазону в кожній ділянці структури – емітерній, базовій та колекторній – переважала електропровідність одного типу – електронна або діркова. З підвищенням температури в насліок термогенерації може з’явитись така кількість електронів і дірок, що розраховане співвідношення основних і неосновних носіїв в домішкових напівпровідниках порушується і транзистор втрачає працездатність.
Максимальна робоча температура р-n переходів залежить від енергії іонізації атомів основної речовини і концентрації домішок. Розрахунки та експериментальні дослідження показують, що максимальна температура германієвих транзисторів лежить в межах 70 ... 1000 С, а максимальна робоча температура транзисторів з кремнію, що має більшу ширину забороненої зони, ніж германій, може становити 125 ... 2000 С.
Мінімальна робоча температура, за якої транзистор ще в змозі функціонувати, залежить від енергії іонізації та концентрацією домішок. Для забезпечення розрахованої електропровідності необхідно, щоб усі атоми домішок були іонізовані. Оскільки енергія іонізації домішок дуже мала (0,01 ... 0,05 еВ), то мінімальна робоча температура транзистора теоретично складає близько 2000 С. Фактично нижня межа температури обмежується термостійкістю корпусу та допустимими змінами параметрів дорівнює (60 ... 70)0 С.
Зміна температури транзистора в межах робочого діапазону також суттєво впливає на параметри та характеристики транзистора, що може викликати температурну нестабільність радіоелектронної апаратури. Це треба враховувати при проектуванні та експлуатації транзисторних приладів і пристроїв.
При щільному компонуванні елементів усередині апаратури або великих потужностях розсіювання в приладі використання радіаторів стає малоефективним. У цьому випадку потужні транзистори розташовують безпосередньо на корпусі приладу або на радіаторах, які мають тепловий контакт з навколишнім середовищем.
Для ефективного тепловідведення необхідно забезпечити надійний тепловий контакт радіатора з транзистором; для цього транзистори має відповідну конструкцію, а поверхня контакта покрита спеціальними теплопоглинальними пастами або мастилами.
Електричне ізолювання транзистора від радіатора досягається установленням прокладок із слюди, фторопластової плівки товщиною десятки мікрометрів, металокерамічних прокладок, а також використанням радіаторів з глибоким анодуванням. Однак необхідно домагатися електричного ізолювання радіаторів від корпусу приладу, а не транзистора від радіатора.
З порушенням теплового балансу, коли через недостатнє тепловідведення приріст потужності, що виділяється на колекторному переході, не викликає відповідний приріст потужності, що відводиться в зовнішнє середовище, температура переходу необмежено зростає, збільшується струм колектора та потужність, зрештою транзистор перегрівається, настає тепловий пробій, БТ виходить з ладу.
Допустима напруга тим менша, чим більший зворотній струм транзистора ICВ0, його загальний тепловий опір та температура навколишнього середовища. За умов недостатнього тепловідведення і високої температури навколишнього середовища напруга теплового пробою може стати значно нижчою, ніж робоча напруга транзистора. Особливо велика вірогідність теплового пробою в потужних БТ із значним струмом ICВ0 .