4.2. Зависимость параметров полупроводниковых диодов и транзисторов от режима их работы и влияния температуры окружающей среды

4.2.1. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с однимp–n–переходом и двумя выводами. Низкоомную область диода называют эмиттером, а высокоомную – базой. Идеализированная ВАХ диода описывается выражением:

, (4.1)

где —тепловой ток диода;—напряжение, прикладываемое к диоду;—фактор;—температурный потенциал.

Из-за наличия сопротивления базы диода (r_б), прямая ветвь ВАХ диода представляется в виде:

. (4.2)

Логарифмируя (4.2) получим составляющие напряжения падающего на диоде:

. (4.3)

Из выражения видно, что чем больше сопротивление базы диода и чем выше ток, протекающий через диод, тем большее напряжение падает на диоде и тем сильнее ВАХ реального диода отличается от идеализированной.

Характеристики реальных диодов отличаются от идеализированной характеристики (4.1) за счет того, что тепловой ток (I_т) при обратном включении диода представляет собой лишь часть обратного тока диода. При прямом включении диода на его ВАХ оказывает влияние падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться приI_пр= (1 – 10) мА. Выделить составляющие, влияющие на поведение ВАХ диодов весьма сложно. У реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный токI_обр. У германиевых (Ge) диодовI_обрI_т, а у кремниевых (Si) диодовI_обр>>I_т. Величина обратного тока сильно зависит от температуры:

, (4.4)

где: T*—приращение температуры, при котором обратный ток удваивается (8—10⁰C,6—7⁰C);—диапазон температур работы диода.

Таким образом, при увеличении T* на 10⁰C, обратный ток германиевого диодаI_обрGeувеличивается в 2 раза, а обратный ток кремниевого диодаI_обрSiувеличивается в 2,5 раза. Так как для германиевых и кремниевых диодов выполняется условиеI_обрSi<<I_обрGe, то для кремниевых диодов в ходе расчета электрических схем обратным током достаточно часто пренебрегают.

На рис.4.3 приведены ВАХ германиевых диодов, а на рис.4.4 – ВАХ кремниевых диодов, измеренные при различных температурах. Можно видеть, что из-за того, что у кремниевых диодов тепловой ток во много раз меньше теплового тока германиевых диодов, начальный участок обратной ветви ВАХ кремниевых диодов более пологий, чем у германиевых диодов.

Рис.4.3 Рис.4.4

Оценку изменения падения потенциала на диоде, включенном в прямом направлении, при изменении температуры можно произвести следующим образом:

, (4.5)

где: —температурный коэффициент изменения напряжения (ТКН, при постоянном токе диода=2,2 мВ/⁰С.). Тогда для прямого напряжения, падающего на диоде, можно записать:

. (4.6)

Из выражения видно, что с ростом температуры окружающей среды, напряжение, падающее на диоде, снижается, а с уменьшением температуры – растет.

4.2.2. Зависимость параметров биполярных транзисторов от режима их работы

Параметры транзистора зависят от положения его рабочей точки, которая определяется режимом работы транзистора. Величинами, определяющими режим работы транзистора, являются ток эмиттера , напряжение коллектор–эмиттери температура работы транзистора. Рассмотрим изменение параметров транзистора в зависимости от изменения этих величин.

Коэффициент передачи тока. Этот коэффициент определяется выражением:

, (4.7)

где: —коэффициент инжекции дырок (электронов) определяется выражением (4.8);w—ширина базы транзистора;L—средняя диффузионная длина пробега носителей заряда.

, (4.8)

где: —подвижность электронов и дырок в областях эмиттера (индекс «э») и базы (индекс «б»);—диффузионная длина дырок в области базы и электронов в области эмиттера диода;—удельное сопротивление полупроводника областей эмиттера и базы диода.

Из соотношения (4.7) видно, что коэффициент передачи тока зависит от напряженияU_кэ, прикладываемого к базе и приводящего к ее модуляции (к изменению ширины базы). Так увеличениеU_кэприводит к уменьшению ширины базы и соответственно к росту коэффициента передачи тока. Вторым фактором, влияющим через напряжение коллектор–эмиттер транзистора на величину коэффициента передачи тока, является ударная ионизация в коллекторном р–п–переходе транзистора. Электрон или дырка, ускоренные электрическим полем на длине их свободного пробега, могут разорвать одну из валентных связей атома полупроводника, расположенного в области р–п–перехода. В результате этого рождается новая пара электрон–дырка и процесс ионизации может продолжаться дальше за счет уже этих носителей заряда. Известно, что коэффициент ионизации равен:

M=1/[1–(U/U_M)ⁿ],

где: U—модуль обратного напряжения, приложенного к р–п–переходу;U_M—напряжение лавинного пробоя р–п–перехода, при которомM=. С учетом коэффициента ионизации можно записать. Отсюда видно, что за счет лавинного умножения носителей заряда коэффициент передачи тока транзистора возрастает.

Зависимость коэффициента передачи тока транзистора от тока эмиттераI_эобусловлена изменением коэффициента инжекции. Так при увеличенииI_эпроисходит снижение сопротивления базы транзистораr_бв следствии этого снижается величина коэффициента инжекциии соответственно снижению величины. В общем виде кривая дляимеет "горб". При больших токахснижается за счет снижения величины коэффициента инжекции, а при малых токах снижениеобуславливается ростом рекомбинационной составляющей тока в области р–п–перехода. При проектировании электронных схем рекомендуется выбирать рабочую точку транзистора при=_мах.

Сопротивление эмиттера (r_э) транзистораобратно пропорционально току эмиттераI_э, поскольку:

r_э=dU_бэ/dI_э=m_т/I_э(4.9)

Зависимость r_э=f(U_кб) очень мала и поэтому весьма редко используется при расчетах усилительных каскадов.

Сопротивление коллекторного перехода определяется соотношением:

r_к=dU_кб/dI_к=(2qN_д/₀)^0,5(L²/w)(U_кб)^0,5/I_э, (4.10)

где: U_кб—напражение на р–п–переходе база–коллектор транзистора;I_к–ток коллектора;q–заряд электрона;N_д—концентрация примеси в базовой области транзистора.

Из выражения видно, что увеличение тока коллектора транзистора приводит к уменьшению сопротивления коллектора. Увеличение же напряжения на р–п–переходе база–коллектор вызывает рост сопротивления коллектора.

Объемное сопротивление базы транзистораиз-за модуляции толщины активной области базы уменьшается с ростом тока эмиттера и возрастает с ростом напряжения на р-п-переходе база–коллектор транзистора.

Величины паразитных барьерных емкостей р–п–переходов база–коллектор (С_бк) и коллектор–подложка (С_кп) снижаются с ростом напряжения на р–п–переходе база–коллектор и не зависят от тока эмиттера транзистора. На рис.4.5. представлены зависимости параметров биполярного транзистора от напряжения на коллекторном р-п-переходе при постоянном токе эмиттера (рис.4.5,а) и зависимости параметров биполярного транзистора от тока эмиттера (рис.4.5,б) при постоянном напряжении на коллекторном р–п–переходе.

а) б)

Рис.4.5