Физические основы электроники. Транзисторы. Гальваномагнитные и термоэлектрические приборы. Оптоэлектронные приборы. Учебное пособие

Решение. Температуру p–n-перехода можно определить как

Tп Tокр RПСPКЭ .

где Tп – температура p–n-перехода, град; TОКР – температура окружающей среды, град; RПС – тепловое сопротивление «переходокружающая среда», град/мВт; PКЭ – мощность, выделяемая на эмит-

терном и коллекторном переходах, мВт.

Считая, что в данном случае TП TП max , получаем:

PКЭ TП Tокр 80 20 75 мВт.

RПС 0,8

Пример 5.11. Транзистор, имеющий тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом RПК = 0,8 К/Вт, должен рассеивать

мощность P = 10 Вт при температуре окружающей среды Tокр =

= 32 °С. Для повышения надежности температура кристалла не должна превышать 70 °С. В сборочной конструкции содержится шайба и изолирующая силиконовая смазка. Тепловое сопротивление шайбы равно

Rш = 1,5 К/Вт, а силиконовая смазка уменьшает его примерно на 40 %. Определить, какова должна быть площадь теплоотвода, если он

21

необходим. Считать, что 1см2 металлической поверхности теплоотвода имеет тепловое сопротивление Rм = 800 К/Вт. Конвективным теп-

лообменом пренебречь.

Решение. Определяем тепловое сопротивление между корпусом и теплоотводом RКТ , учитывая, что силиконовая смазка уменьшает теп-

ловое сопротивление шайбы на 40 %:

RКТ 1,5 1,5 0,4 0,9 К/Вт.

Общее тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой определяется выражением

RПС RПК RКТ RТС ,

где RПС – тепловое сопротивление «переход–среда»; RПК – тепловое сопротивление «переход–корпус»; RКТ – тепловое сопротивление «корпус–теплоотвод»; RТС – тепловое сопротивление «теплоотвод –

среда».

Также известно, что

TП TС RПСPКЭ ,

где TП – температура электронно-дырочного перехода, град; TС – температура окружающей среды, град; PКЭ – мощность, выделяемая

на эмиттерном и коллекторном переходах, мВт. Откуда, подставив значения, данные в условии, получим: RПС = 3,8 К/Вт.

Тогда, подставляя значение RПС в первое уравнение, получаем

RТС = 2,1 К/Вт.

Полагая, что 1см2 металлической поверхности имеет тепловое сопротивление 800 К/Вт и считая, что RТС изменяется обратно пропор-

ционально площади поверхности теплоотвода, найдем площадь теплоотвода:

S 800/ 2,1 381см2 .

Пример 5.12. Удельная проводимость канала n-типа полевого транзистора σ = 20,9 См/м и ширина канала w = 6 мкм при напряжении

UЗИ 0. Найти напряжение отсечки Uотс , считая, что подвижность

22

электронов в канале n 0,13 м2/(В с), а относительная диэлектрическая проницаемость кремния ε = 12. При напряжении UЗИ 0 сопротивление «сток–исток» RСИ 0 = 50 Ом. При каком напряжении

на затворе сопротивление «сток–исток» составит RСИ = 200 Ом? Считать, что имеет место полная ионизация примесей.

Решение: а) удельная проводимость канала n-типа равна

q n NД ,

где NД – концентрация легирующей примеси; n – подвижность

электронов.

Следовательно, NД 1021м 3. Напряжение отсечки составляет

где h – половина ширины канала при UЗИ 0, Uотс = 6,8 В; б) сопротивление «сток–исток» выражается как

где R0 – сопротивление «сток–исток» при UЗИ 0. Подставляя значения, данные в условии задачи, получим: UЗИ = 3,83 В (отрицательное относительно истока).

Пример 5.13. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом, имеющим IС max = 2мА и Smax = 2 мА/В, включен в усилительный каскад по схеме с общим истоком. Сопротивление нагрузки Rн =

= 10 кОм. Определить коэффициент усиления по напряжению, если а) UЗИ = –1 В; б) UЗИ = –0,5 В; в) UЗИ = 0 В.

23

Решение. Найдем напряжение отсечки:

Uотс 2IС max 2 В.

Smax

Определим крутизну транзистора:

SSmax 1 UЗИ .

Uотс

Коэффициент усиления по напряжению равен

KU SRн.

Таким образом, при UЗИ 1 В коэффициент усиления KU = 10, при UЗИ 0,5 В коэффициент усиления KU = 15, при UЗИ 0 В коэффициент усиления KU = 20.

5.3.ЗАДАЧИ

5.1В кремниевом n–p–n-транзисторе концентрация доноров в

эмиттере равна NД , концентрация акцепторов в базе – N А. Считая, что подвижности электронов и дырок составляют n и p соответ-

ственно, определить отношение дырочного тока к электронному на переходе «эмиттер–база». Считать, что имеет место полная ионизация примесей. Численные значения заданы в табл. 5.1.

24

5.2. В германиевом n–p–n-транзисторе концентрация электронов на эмиттерном переходе равна n. Площади эмиттерного и коллекторного

переходов одинаковы и равны SЭ и SК . Определить ток коллектора, если эффективная ширина базы wэфф, подвижность электронов при T = 300 К составляет n . Численные значения заданы в табл. 5.2.

25

5.3. Определить постоянный ток базы p–n–p-транзистора при температуре T = 300 К. Током утечки перехода база–эмиттер пренебречь.

Ток коллектора составляет IК , время жизни носителей заряда p , подвижность дырок p , ширина базы w. Необходимые численные значения заданы в табл. 5.3.

26

5.4Транзистор p–n–p-структуры имеет следующие параметры: T =

=300 К, коэффициент передачи тока (нормальный) N , коэффици-

ент передачи тока (инверсный) I , токи насыщения эмиттерного и

коллекторного переходов, определяемые при короткозамкнутой цепи коллектора и эмиттера, соответственно IЭБК , IКБК . Определить токи

IЭ, IБ, IК, если:

а) UЭБ = –5 В, UКБ = –10 В;

б) UЭБ = 0,25 В, UКБ = –10 В;

в) UЭБ = 0,25 В, UКБ = 0,2 В.

Необходимые численные значения заданы в табл. 5.4.

5.5. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, известны ток коллектора IК , ток базы IБ , обратный ток коллектора

IКБО . Определить коэффициенты , h21Э , а также ток IЭБО . Численные значения заданы в табл. 5.5.

27

28

5.6. Определить напряжение между эмиттером и коллектором транзистора в режиме насыщения (остаточное напряжение U0 ) при следу-

ющих известных параметрах: IК, IБ, N , I . Температура, при кото-

рой работает транзистор, составляет T = 300 К. Объемными сопротивлениями эмиттерной и коллекторной областей пренебречь. Необходимые численные значения заданы в табл. 5.6.

29

5.7. Рассматривается кремниевый сплавной транзистор структуры p–n–p с резкими переходами и с известными удельным сопротивлени-

ем эмиттера Э , удельным сопротивлением базы Б , удельным сопротивлением коллектора К и шириной базы w. Диаметры эмиттера и коллектора равны d. Время жизни неосновных носителей заряда n , Т = 300 К. Транзистор работает в активном режиме при UКБ = –10 В.

Вычислить:

а) высоту потенциальных барьеров эмиттерного и коллекторного переходов;

б) напряжение «эмиттер–база» UЭБ , при котором ток эмиттера IЭ = 1 мА. Необходимые численные значения заданы в табл. 5.7.

Таблица 5.7

Варианты для задачи 5.7

30