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

Поэтому возникает необходимость измерения параметров полупроводниковых приборов в режимах, отличающихся от ука­ занных на них, и испытаний на пригодность к функционированию в конкретных электрических режимах.

Измерения параметров и испытания необходимо проводить на установках и по методикам, исключающим повреждение полу­ проводниковых приборов. При этом за основу'должны быть взяты схемы и методика измерения, рекомендуемые техническими усло­ виями. Вывод о возможности использования того или другого типа полупроводниковых приборов в режимах, отличных от ука­ занных в технических условиях, может быть сделан только после проведения соответствующих испытаний и определения количе­ ственных показателей надежности. При этом для исключения ошибки при качественной оценке испытаниям должны быть обязательно подвергнуты приборы, имеющие крайние значения классификационных параметров.

При выборе группы полупроводникового прибора в пределах одного типа следует помнить, что в ряде случаев группы прибо­ ров с наивысшими значениями параметров (максимальное ß, f*), как правило, будут обладать меньшей надежностью, так как их параметры соответствуют пределам технологических возможно­ стей. В результате технологические запасы прочности у прибо­ ров с наивысшими значениями параметров, как правило, мини­ мальные.

Кроме того, приборы с наивысшими параметрами составляют обычно относительно малый процент от общего количества при­ боров данного типа.

В результате использования большого количества приборов с наивысшими параметрами неизбежно приведет к срыву ком­ плектации при серийном производстве аппаратуры.

Учитывая это, необходимо при конструировании аппаратуры избегать использования полупроводниковых приборов с наивыс­ шими параметрами.

Желательно, чтобы работа схемы определялась только теми параметрами, значения которых гарантируются техническими условиями на полупроводниковый прибор. Введение новых пара­ метров, отсутствующих в технических условиях, обычно приводит к трудностям при серийном выпуске и эксплуатации электронных схем, связанных с отбором полупроводниковых приборов по этому параметру. Условия применения диодов и транзисторов (температура, давление, влажность, ударные и вибрационные нагрузки и т. д.) должны соответствовать требованиям, преду­ смотренным ТУ на диоды и транзисторы.

Если требования на радиоэлектронную аппаратуру в целом оказываются более жесткими, чем это допустимо для полупро­ водниковых приборов, следует конструировать аппаратуру таким образом, чтобы условия работы полупроводниковых приборов

202

внутри отдельных блоков аппаратуры полностью соответство­ вали ТУ на полупроводниковые приборы.

Как уже отмечалось, величины параметров полупроводнико­ вых приборов одного типа не строго одинаковы, а лежат в интер­ вале значений, ограниченном минимальной и максимальной вели­ чинами.

Вследствие этого схемы на диодах и транзисторах необходимо разрабатывать и проектировать так, чтобы они были работоспо­ собны со всеми приборами выбранного типа, параметры которых лежат в оговоренном интервале значений.

При разработке аппаратуры не рекомендуется отбирать и сор­ тировать полупроводниковые приборы на группы.

Такой отбор приводит к снижению надежности аппаратуры, повышению трудоемкости и себестоимости и практически исклю­ чает возможность ее ремонта. Отбор затрудняет комплектацию изделий полупроводниковыми приборами.

Современные полупроводниковыеч приборы разрабатывают с учетом особенностей конкретных, групп схем, в которых пред­ полагают их применять.

Учитывая это, выбирать полупроводниковые приборы для использования их в радиоэлектронной аппаратуре надо в соот­ ветствии с перечисленными рекомендациями.

§ 16.2. ВЫБОР РЕЖ ИМА РАБОТЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА

Режим работы полупроводниковых приборов выбираюгтаким образом, чтобы обеспечить надежную работу устройства и в то же время возможно полно использовать ресурс полупроводнико­ вого прибора.

Рабочие режимы полупроводниковых приборов должны опре­ деляться в основном наиболее стабильными и надежными обла­ стями работы схем. Недогрузка приборов увеличивает их надеж­ ность за счет нескольких факторов:

а) уменьшается .вероятность необратимых изменений пара­ метров прибора;

б) снижается максимальная рабочая температура переходов (за счет уменьшения рассеиваемой мощности), что уменьшает температурные изменения параметров;

в) уменьшаются неуправляемые токи.

Полупроводниковые приборы работают более устойчиво при недоиспользовании по напряжению и большей загрузке по току, чем, наоборот, при условии одной и той же выделяемой © приборе мощности.

Выбор теплового режима полупроводниковых приборов.

203

Температура полупроводниковых приборов — важнейший фактор, от которого зависят не только величины основных пара­ метров, но и общая работоспособность приборов. Так, например, в первую очередь следует оценивать рабочую температуру основ­ ного элемента полупроводникового прибора, определяющего его работоспособность — электронно-дырочного перехода.

Температура перехода определяет не только важнейшие элек­ трические характеристики прибора, но и надежность его работы. Чем выше температура перехода, тем сильнее изменение электри-

ческих характеристик, больше неуправляемые токи, выше веро­

казана примерная зависимость надежности работы кремниевых транзисторов от температуры коллекторного перехода.

Как видно из рис. 16.1, надежность полупроводниковых при­ боров снижается не только при высоких температурах, но и при низких. Оптимальная температура перехода транзистора 15— 45° С.

Снижение надежности на высоких температурах обусловлено, тем, что скорости химических реакций зависят от температуры,

как ехр — Y ; это в свою очередь определяет нестабильность

основных параметров полупроводниковых приборов. Кроме того, при высоких температурах существенно снижается электропроч­ ность и термоустойчивость транзисторов.

Снижение надежности на низких температурах объясняется появлением трещин в полупроводниковом материале и отслаива­ нием контактов вследствие механических напряжений, возни­ кающих в результате понижения и резких колебаний темпера­ туры, особенно в импульсном режиме.

Под максимальной температурой перехода следует понимать температуру, при которой транзистор или перестает работать как усилительный прибор из-за того, что полупроводниковые

204

области прибора приобретают собственную проводимость и пере­ ходы перестают существовать, или прибор выходит из строя, так как переходит в неустойчивый режим кумулятивного разогрева (превышение максимальной температуры в данном случае при­ водит к необратимым изменениям в решетке монокристалла).

В справочниках приводится максимальная допустимая тем­ пература перехода или корпуса.

Использование полупроводниковых приборов при темпера­ туре, превышающей предельно допустимую температуру пере­ хода, дает самую низкую надежность его работы. Повышение температуры на переходе вызывается выделением мощности. Мощность Р состоит из мощности Рэ и Рк, выделяемых на эмиттерном и коллекторном переходах.

При работе полупроводникового прибора почти вся мощность выделяется в узкой области, прилежащей к р—п-переходу. Раз­ меры этой области можно оценить как ширину р—д-перехода. Ширина коллекторного перехода имеет размеры порядка несколь­ ких микрон, эффективная площадь коллекторного перехода — порядка нескольких десятков мм2. Таким образом, объем, на ко­ тором происходит выделение мощности транзистора или диода, имеет чрезвычайно малые размеры, по сравнению с размерами прибора и кристалла. В связи с этим температура перехода зна­ чительно превышает температуру корпуса прибора. Температура перехода довольно сильно изменяется за время сигнала. Этот эффект особенно сильно проявляется в импульсных схемах, где полупроводниковые приборы работают с импульсными перегруз­ ками и распределение мощности по периоду сигнала неравно­ мерно. Если не учитывать это, то температура прибора может на небольшие промежутки времени превышать максимально допу­ стимую, что повлечет за собой мгновенные локальные перегревы структуры и в конечном итоге ускоряет процессы выхода транзи­ стора из строя.

Мощность рассеяния связана с температурой перехода тепло­ вым сопротивлением.

Для транзисторов средней и большей мощности приводятся значения тепловых сопротивлений переход — корпус Дт.п.к, тем­ пература перехода Тп определяется по формуле

Д і= Т’к+ ^т.п.к • Р к.

где Тк — температура корпуса; Рк — мощность рассеяния в коллекторе.

Для транзисторов малой и средней мощности приводится значение теплового сопротивления относительно окружающей среды Rt.u.c, и температура перехода определяется по формуле

Тъ = Дэ.с RT.U.C' Рц>

еде Го.с — температура окружающей среды.

205

Эти формулы пригодны для расчета средней температуры пере­ хода или температуры в режиме постоянной мощности, выделяе­ мой на переходе.

. Очевидно, мощность рассеяния, как и температура перехода, являются одним из основных факторов, влияющих на интенсив­ ность отказов. Установлено, что при любой выбранной темпера­ туре окружающей среды мощность рассеяния может быть повы­ шена до определенного предельного значения, до которого она не влияет на интенсивность отказов. Эмпирически получена сле­ дующая зависимость рассеиваемой мощности от окружающей температуры при условии, когда их сочетание не ведет к повы­ шению интенсивности отказов:

Я' = ехр( — ЗГокр),

где Р' — отношение используемой мощности рассеяния и пре-

7*доп — 25

ность оговаривается в технических условиях или определяется по максимальной температуре перехода Гмакс из соотношения

і0мзкс= ~п''іакс~ ГсДля маломощных транзисторов ^т.п.с.

Р = - п-ак^~— ■- для мощных,] ^ти.к.

а также рядом специфических явлений и процессов, ограничи­ вающих максимальные напряжение и ток.

Для импульсной работы преобладающее значение имеет не тепловое сопротивление, а тепловая постоянная времени tt = R f C t , где Ri — тепловое сопротивление, а Ct — теплоемкость. Соотношение постоянной времени тt и. длительности импульса мощности определяет максимальную температуру перегрева пе­ рехода от воздействия импульса мощности, а соотношение тt и скважности импульсов определяет температуру, до которой остывает переход за время между импульсами.

В импульсном режиме работы полупроводниковых приборов мгновенные значения температуры перехода могут значительно превышать среднее значение. Мгновенная температура перехода зависит не только от величины мощности, выделяющейся на кол­ лекторе, и теплового сопротивления, но и от величины тепло­ емкости отдельных частей транзистора.

Максимальное значение температуры перехода при любом импульсном режиме не должно превышать предельной темпера­ туры перехода.

Постоянная времени определяется, как время (в с), необхо­ димое для повышения температуры перехода до 63% ее конеч­ ного значения. Всплески мощности должны ограничиваться,

206

чтобы температура на переходе была не выше предельно-допу- стимой.

Если, например, на транзисторе выделяются периодические прямоугольные импульсы мощности Р1Ь причем для транзистора используется такой бесконечный теплоотвод, что температура корпуса равна температуре окружающей среды, то увеличение температуры

мени переход—корпус. Частота заполнения выражается как—j X

100%. Температура перехода уменьшается с уменьшением ча­ стоты заполнения и длительности импульса.

Пиковые импульсы будут накладываться на постоянную мощ­ ность. Очевидно, что при наличии постоянной мощности предель­ ная импульсная мощность уменьшается. Определение максималь­ ной импульсной мощности для любого сочетания воздействия напряжений и токов по длительности периода повторения и форме сигнала сложная задача. Кроме того, в результате зна­ чительных упрощений и допущений решение получается очень приближенным.

Значительно проще можно определить допустимость данного нестационарного режима графически. Для этого необходимы кривые _направления транзисторов при воздействии ступеньки различной по амплитуде мощности. Для определения предель­ ной мощности импульсов как очень малой, так и большой дли­ тельности необходимы эти кривые в нескольких масштабах вре­ мени (рис. 16.2).

Графики представляют начальный участок кривых нагрева­ ния,'поэтому с незначительной погрешностью их можно заменить прямыми линиями.

Если импульс мощности имеет прямоугольную форму, а им­ пульс любой формы можно всегда представить в виде суммы прямоугольных, то максимальный перегрев перехода ДГИот воз­ действия импульса определяется простым построением импульса мощности на один из графиков. Точка пересечения вершины импульса с осью абсцисс соответствует максимальной темпера­ туре перехода. Передний фронт следует совместить с осью орди­ нат, а задний необходимо построить из точки (оси абсцисс), соответствующей длительности импульса, до пересечения с лу­ чом, построенным для значения мощности, равной .импульсной. Теперь можно определить максимальную температуру перехода:

Гокр + І5срЯ т.п +Д Г

207

Рассмотрим пример. На транзисторе П416 выделяются импульсы мощности величиной Л ,=5 Вт и длительностью 4і= 0,5 мкс. Ча­ стота следования импульсов /=50 Гц, температура окружающей среды +60° С.

Рис. 16.2. Номограммы для определения максимально допустимой импульс­ ной мощности транзистора

Для этого примера необходимо использовать график, изобраг женный на рис. 16.2. Построим прямую нагрева, соответствую­ щую мощности рассеяния 5 Вт. Из точки 0,5 мс на оси абсцисс проводим вертикальную' прямую до пересечения с прямой на­ грева. Точка пересечения соответствует температуре, до которой

транзистор нагревался за это время. Таким образом опре­ деляется импульсный перегрев Д7Ѵ Далее следует опреде­ лить среднюю температуру пе­ рехода (рис. 16.3)

208

Выбор рабочих токов полупроводниковых приборов

При разработке аппаратуры весьма важно правильно выбрать рабочий ток диода или транзистора. Под рабочим током пони­ мается: режим ключа — ток открытого транзистора; в усилителе постоянного тока минимальное значение постоянного тока и в ли­ нейных усилителях минимальное мгновенное значение перемен­ ного или импульсного тока.

Содной стороны, не следует выбирать рабочий ток большой величины, так как при этом увеличивается мощность, выделяемая

вдеталях, ухудшается тепловой режим полупроводниковых при­ боров и, следовательно, снижается надежность.

Сдругой стороны, не рекомендуется выбирать рабочие токи очень малой величины. При рабочих токах, сравнимых с неуправ­ ляемым, полупроводниковые приборы работают весьма неустой­

чиво.

В режиме постоянного и переменного тока максимальная величина рабочего тока определяется максимальной темпера­ турой перехода tMaKC или мощностью Р макс

Здесь действует ограничение, связанное с выделяемой мощ­ ностью. В активной области мощностью, выделяющейся на эмиттерном переходе, можно пренебречь; при работе в области насы­ щения мощность, выделяющуюся на эмиттерном переходе Рэ или в базовой цепи Р& необходимо учитывать, т. е.

рабочего тока следует учитывать определенное снижение ß с воз­ растанием тока. Это явление также может служить ограничением тока сверху.

Дополнительное ограничение /к.макс для дрейфовых р— п— р- транзисторов может быть обусловлено токовым пробоем, кото­ рый может произойти при мощности, меньшей Р маКсУчитывая сказанное, максимальная величина постоянного тока и среднее значение переменного тока через полупроводниковые приборы в любых условиях эксплуатации не должны превышать макси­ мально-допустимых величин.

Минимально возможная величина рабочего тока ограничи­ вается в основном неуправляемыми обратными токами перехо­ дов /ко, /цз> /к.эо и резким снижением коэффициента усиления ß

209

транзистора. При уменьшении плотности тока усиливается зави­ симость коэффициента усиления ß от температуры.

При токе /к, сравнимом с неуправляемым, могут возникнуть нелинейные искажения. Поэтому рекомендуется выбирать режим так, чтобы наименьший рабочий ток /к (постоянный, амплитуда или импульс) был, по крайней мере, в 10—15 раз больше обрат­ ного тока при максимальной рабочей температуре перехода.

При определенных малых токах /к начинается резкое сниже­ ние коэффициента усиления ß с уменьшением тока. Коэффициент усиления германиевых сплавных транзисторов средней мощности начинает снижаться при токе около 15 мА, а у маломощных сплавных транзисторов ß начинает снижаться при /0=О,5ч-О,8 мА. Как известно, ß снижается с уменьшением температуры, особенно заметно снижение ß на низких температурах. Таким образом, минимальное значение рабочего тока ограничивается более рез­ ким снижением ß и В с понижением температуры.

Зависимость B(IS и t) на низких температурах тем резче, чем более мощный транзистор. Поэтому не рекомендуется исполь­ зовать мощные транзисторы при малых токах. Температурная стабилизация схем на транзисторах при малых токах тем более затруднительна, чем меньше ток. Таким образом, уменьшение /к может дать еще и снижение термоустойчивости транзистора.

Импульсный ток

Все ограничения, перечисленные выше, действуют и для пере­ менного тока. Если максимальный ток коллектора в импульсном режиме ограничивается максимальной температурой перехода, то его амплитуда при периодической последовательности импуль­ сов определяется из выражения

Подставляя максимально допустимое значение мощности, можно определить максимальный импульсный ток коллектора Iк.и.маке И МЭКСИМаЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТОК базы /б.и.макс. ИмпуЛЬС-

ное амплитудное значение максимального тока коллектора при одиночных импульсах определяется графическим методом, при­ мененным для расчета максимальной импульсной мощности. Температура перехода при этом не должна превышать предель­ ную. Очевидно, с уменьшением длительности импульса ампли­ туда максимального тока будет расти. Однако снижение дли­ тельности импульса позволяет увеличить его амплитуду только до известных пределов. Дело в том, что на коротких импульсах появляется дополнительныйограничивающий фактор, локальный

210

разогрев малых объемов с последующим вторичным пробоем полупроводникового прибора.

Это обусловлено малыми тепловыми постоянными времени Rt и Ст микрообластей, что объясняется резкой неравномер­ ностью распределения плотности тока по параметру эмиттерного перехода. Таким образом, в результате работы при импульсных перегрузках по току полупроводниковые приборы могут посте­ пенно выйти из строя в результате вторичного пробоя.

Так как тепловые постоянные локальных объемов имеют ши­ рокий разброс, то определить длительность импульса, при кото­ рой это явление начинает сказываться очень сложно.

Если в ТУ указан максимально допустимый импульсный ток или ток в режиме переключения, то при выборе рабочего тока следует руководствоваться лишь этим значением. Вследствие существенной -нестабильности электрических параметров и парамётров предельных режимов полупроводниковых приборов, при конструировании устройств на транзисторах и диодах, от которых требуется высокая надежность обычно устанавливают коэффициент нагрузки по максимальному току 0,7.

Выбор рабочего напряжения

Одной из важнейших задач проектирования схем на полупро­ водниковых приборах, обеспечивающих надежность электронной аппаратуры, является правильный выбор питающих напряжений.

Величину рабочих напряжений сверху ограничивает пробой р—/z-переходов. Пробивное напряжение можно считать одной из абсолютных границ, превышение которых приводит к сравни­ тельно быстрому разрушению полупроводникового прибора или к отказу схемы, в которой работает этот прибор. Установлено, что подавляющая часть повреждений полупроводниковых при­ боров и выходов их из строя вызвано пробоем перехода.

При электрическом пробое наблюдается фактически мгновен­ ное (до ІО-9 с), резкое увеличение тока вслед за увеличением напряжения; при этом, если ток не, ограничен, на переходе выде­ ляется большая мощность, в результате чего переход сильно нагревается и разрушается.

Учитывая некоторую нестабильность пробивных напряжений с течением времени, для проектирования надежной аппаратуры рабочее напряжение полупроводникового диода рекомендуется выбирать таким образом, чтобы оно не превышало 0,7 от вели­ чины предельно допустимого.

Пробой транзисторов имеет ряд специфических особенностей по сравнению с пробоем отдельного р—«-перехода, связанных со взаимным влиянием переходов. Влияние эмиттера на пробой коллекторного перехода проявляется по-разному в зависимости от схемы включения транзистора. Поэтому при выборе рабочих напряжений на электродах транзистора необходимо учитывать

211