книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения

Рис. 7- Зависимости температурного коэффициента а т от тока / кн транзисторов

Т=-60°С

ю

коэффициента усиления в функции температуры при этом можно представить как

где аг — температурный коэффициент изменения В :

Компенсация температурных изменений В в режиме насыщения по отношению к его величине в ненасыщенном режиме и даже изме­ нение знака ат на обратный могут быть объяснены тем, что в ре­ жиме глубокого насыщения коллекторный переход транзистора оказывается смещенным, как и эмиттерный, в прямом направле­ нии. При этом часть базового тока ответвляется в коллекторный переход. С повышением температуры доля этого тока возрастает, что приводит к уменьшению В. Следует иметь в виду, что ат яв­ ляется функцией температуры и различно для отдельных образцов.

Поскольку величины коэффициентов усиления при каждом значении тока коллектора распределены по некоторому закону, можно для расчетов использовать распределение значений этих

о гоо m 600 300 /кн,мА

Рис. 10. Зависимости В = f(IKS) при различ­ ных U кн и Т для транзисторов МП 116 (а),

КТ201Б (б) и КТ316 (в) в микрорежиме

(^кн"^1 мА):

сплошные кривые — верхняя граница, штриховые — нижняя граница для 98%-процентного разброса зна­ чений В

11

коэффициентов или воспользоваться наихудшим сочетанием их предельных значений. В первом случае необходимо иметь зависи­ мость параметров распределения от тока /кн при различных на­ пряжениях UKH, что связано с потребностью в обширном стати­ стическом материале. Во втором случае допуск на изменение В оказывается завышенным.

Практически для учета температурных изменений, а также влия­ ния тока /кн целесообразно пользоваться кривыми B = f(IKH; UKH; Т), снятыми для наихудшего образца (рис. 8—10). На рис. 8 обо­ значены также области Si и S2 оптимальных значений рабочих то­ ков (при которых В максимально в заданном диапазоне темпера­ тур) для разных величин UKU и соответственно расчетные значе­ ния ВР1 и Вр2- Как видно из кривых рис. 8—10, коэффициент В сначала возрастает при увеличении тока /кн до некоторого мак­ симального значения, а затем падает. Причем этот максимум для кремниевых плоскостных транзисторов типа МП116 находится в пределах 5ч-10 мА, для кремниевых планарных типа КТ201, КТ316 он лежит в пределах 1-=-5 мА.

§ 3. Зависимости обратного тока коллекторного перехода /ко от режимов работы и температуры

Обратный ток коллекторного перехода /к0 является наиболее нестабильным параметром полупроводникового прибора. Он зави­ сит от температуры, напряжения, может значительно изменяться при старении, а также сильно различается у различных экземпля­ ров. Согласно теоретическим исследованиям ток /ко идеального р-п перехода является функцией температуры, а также некоторых свойств полупроводниковых материалов, образующих р-п переход, и не зависит от приложенного напряжения.

Экспериментальные исследования, однако, показывают, что ре­ альные р-п переходы германиевых транзисторов могут существенно отличаться от теоретической модели. Так, у многих транзисторов ток /ко существенно увеличивается с повышением напряжения, а для отдельных экземпляров транзисторов при изменении напряже­ ния /ко может увеличиваться в несколько раз. Это определяется тем, что в реальном р-п переходе существует несколько составляю­ щих обратного тока коллектора. Для упрощения представим их двумя — током идеального р-п перехода /'ко (ток насыщения) и то­ ком поверхностной утечки Г к0:

Для реальных р-п переходов возможна некоторая зависимость /'ко от напряжения, обусловленная неравномерностью свойств по­ лупроводника по объему, таких как время жизни, концентрация

12

для транзисторов П13 (а) и П25 (б):

• — для 30°С; Щ — для 40°С; X — для 60°С; к' — для 50°С

примесей и др. Однако исследования показывают, что для герма­ ниевых сплавных транзисторов влияние напряжения на величину /ко в первую очередь определяется зависимостью от напряже­ ния токов утечки 1"К0, связанных с проводимостью поверхности перехода.

По результатам испытаний при напряжении UK= 10 В построены поля корреляции (рис. 11), показывающие зависимости отношения

существует явно выраженная корреляционная связь (коэффициент кор­ реляции т) >0,5). Эта связь сильнее проявляется у транзисторов П13 при высоких температурах: +40°С-У60°С. В практике широко поль­ зуются эмпирическим соотношением, определяющим зависимость

Коэффициент а неодинаков для различных транзисторов и мо­ жет сильно изменяться в процессе работы. Принято, что для гер­ маниевых транзисторов ток /ко возрастает в 1,8 — 2,3 раза при уве-.

13-

личении температуры на 10°С, при этом а = 0,0584-0,087. На практи­ ке /к0 с ростом температуры изменяется в более, широких пределах. Зависимость тока /к0 от температуры в значительной степени опре­

величины при 20°С обратный ток коллектора может увеличиваться в 4,5 — 40 раз (рис. 12, а). При этом величина а находится в преде­ лах 0,03764-0,0922. У транзисторов П25 при увеличении температу­ ры до 60°С ток /ко может увеличиться в 9 — 22 раза (рис. 12, б).

Этим значениям - —ко----соответствуют значения а = 0,0554-0,0773.

Уко20°С

14

Представление о наибольших значениях тока /ко транзисторовМП39 при разных температурах и напряжениях окружающей сре­ ды дают интегральные кривые распределения значений 1Ко = !( ияТ) (см. рис. 12). Для построения кривых использовали максималь­ ные значения /ко, наблюдаемые при замерах: начальные, если дрейф»

зависимость от напряжения выражена достаточно сильно. Очевид­ но, нежелательна работа транзисторов при напряжении более 10В..

Для транзисторов П25 (рис. 12, б) при увеличении напряжения от 4 до 24 В ток /к0 меняется незначительно. При росте напряже­ ния до 60В у отдельных образцов (4—6%) ток /ко сильно возрас­ тает. Таким образом, при низких напряжениях транзисторы П2& отличаются от П13 меньшей зависимостью токов /ко от напряже­ ния. Однако начальные значения /ко Для транзисторов П25 выше.

Исследованиями установлено, что в области отрицательных температур составляющая тока 1'ко быстро уменьшается. Величина /ко -при этом в основном определяется токами утечки, которые сла­ бо зависят от температуры. Поэтому примерно при —30°С сум­ марный ток достигает минимального значения и при дальнейшем понижении температуры почти не меняется (табл. 1 и 2).

15

Т а б л и ц а

Величина тока / к0 в мА для транзисторов П25 при £/к = —24В и различных Т в

№

образца

Неблагоприятные условия для нормальной работы транзисто­ ра создаются в случае повышения температуры окружающей сре­ ды с переходом из области отрицательных температур в область положительных. При этом у некоторых транзисторов наблюдается резкий рост /ко (табл. 1, см., например, образцы 4, 5, 7, 12, 13, 14, 20). Это связано с конденсацией влаги как внутри корпуса транзи­ стора и на поверхности перехода, если транзистор имел плохую герметизацию, так и на поверхности корпуса. Поэтому нельзя ут­ верждать, что транзисторы, имеющие значительный выброс /ко при переходе температуры через 0, являются недоброкачествен­ ными.

Изложенное выше необходимо иметь в виду при установке ап­ паратуры на открытом воздухе. В этом случае транзисторы, а так­ же другие элементы должны быть залиты герметизирующим ком­ паундом. Кроме того, параметры схемы необходимо выбрать так, чтобы возможное увеличение /ко не влияло на ее» работоспособ­ ность; иначе в устройствах возможны перемежающиеся отказы.

§ 4. Испытания транзисторов на долговечность

Для определения статистических характеристик старения тран­ зисторов с достаточной достоверностью необходимо вести наблю­ дение за большим количеством образцов в течение длительного времени.

Чтобы пояснить это, определим необходимую выборку п и длительность ta испытаний для заданной величины параметра потока отказов ЯСр при доверительной вероятности а и точности 6 (последняя учитывает разброс X относительно ХСр) ■

16

- i Для расчета удобно использовать биномиальное распределение, !^ГРгласно которому

Односторонние нижняя и верхняя доверительные вероятности:

При т>0 вероятности Рн и Рв несимметричны относительно р. Однако при достаточно больших значениях п и т биномиальное распределение приближается к нормальному и, следовательно, становится симметричным. В, этом случае

о — коэффициент точности, 6 = ^ ^

17

Тогда необходимая величина выборки при заданной точности 6-100% и доверительной вероятности а может быть определена, например, по Рв:

подтверждения уровня надежности транзисторов, достигнутого в аппаратуре телеуправления БСТ-59 и ЭСТ-62.

Расчеты показывают, что для того, чтобы подтвердить уровень надежности Х=10~7 транзисторов в системе телеуправления ЭСТ-62

многих промышленных и железнодорожных электронных устройств и систем, может быть подтверждена испытанием 1000 транзисто­ ров в течение 54 лет.

В некоторых случаях может потребоваться подтверждение па­ раметра Хер при достаточно узких двусторонних границах. Объем испытаний при этом еще более возрастает (рис. 13, б). Как видим,

Рис. 13. Зависимости выборки п, необходимой для подтверждения заданной верхней границы Яв при односторонней доверительной вероятности а о = 0,95, ог времени t испытаний (а) и от точности б при а = 0,9 (б)

18

нимым. В этом случае единственным выходом являются ускорен­ ные испытания.

§ 5. Ускоренные испытания транзисторов

Ускоренные испытания транзисторов выполняют в основном двумя методами: хранением при высоких температурах и испыта­ нием с электрической нагрузкой при повышенных мощностях рас­ сеяния. При испытаниях транзисторов на хранение предполагают, что основным фактором, постепенно приводящим к выходу их из строя, является температура. Повышенная температура активизи­ рует действие ионизирующих примесей на поверхности перехода, а потому скорость деградации параметров оказывается достаточ­ но большой.

Этот вывод базируется на уравнении Аррениуса, определяю­

простота испытаний. Однако при испытаниях на хранение не выяв­

щих при повышенной температуре. Напряжение смещения стиму­ лирует миграцию ионов на поверхности кристаллов. Характерной особенностью при работе транзистора в импульсном режиме (осо­ бенно для мощных транзисторов) является кумуляция токов в от­ дельных областях, небольших по сравнению с общей площадью

толщины базы или распределения примесей в запирающем слое транзистора (диода). Это приводит к дополнительным перегревам отдельных областей переходов и ускорению процессов старения. Вследствие рассеяния мощности Рэл внутри прибора возникают температурные градиенты, увеличивающие возможности от­ каза.

19