2.3. Температурные свойства полевых транзисторов

Отличительной особенностью полевых транзисторов является наличие режима работы, при котором отсутствует дрейф тока стока в достаточно широком диапазоне изменения температур, что имеет принципиально важное значение в линейных схемах [3].

На стабильность характеристик и параметров полевых транзисторов с управляемым p-n-переходом (ПТ) и МДП-транзисторов оказывают влияние два фактора: зависимость от температуры подвижности основных носителей и контактной разности потенциалов. В МПД-транзисторах сказывается еще и влияние подложки и плотности поверхностных состояний на границе полупроводника и диэлектрика.

Увеличение температуры вызывает уменьшение подвижности основных носителей, что приводит к увеличению удельного сопротивления канала, а следовательно, к уменьшению тока стока. С другой стороны, увеличение температуры уменьшает контактную разность потенциалов на границе канала, что вызывает сужение обедненного слоя и расширение канала, приводящее к росту тока стока. При определенных условиях влияние этих двух факторов может взаимно компенсироваться, т.е. ток стока не будет зависеть от температуры.

Зависимость подвижности основных носителей.

(2.30)

где — подвижность носителей при температуре Т_о; n — коэффициент, зависящий от типа канала. Для ПТ с р-каналом n=1,0…2,0.

При анализе температурных свойств полевых транзисторов пользуются температурным коэффициентом подвижности (ТКП)

, (2.31)

где Т — в, К.

.

Зависимость напряжения отсечки ПТ полностью определяется контактной разностью потенциалов Y, которая является логарифмической функцией температуры и концентрации логарифмической функцией температуры и концентрации легирующих примесей p-n-перехода. Для расчета обычно используют значение .

Для инженерных расчетов удобно пользоваться температурным коэффициентом напряжения отсечки (ТКН)

. (2.32)

Зависимость порогового напряжения МПД-транзисторов от температуры практически является линейной и характеризуется коэффициентом

. (2.33)

При инженерных расчетах пользуются температурным коэффициентом порогового напряжения

. (2.34)

Зависимость тока стока и крутизны ПТ обусловлена изменением m подвижности и контактной разности потенциалов с изменением температуры. Эти факторы вызывают температурную зависимость максимального тока стока I_max и максимальной крутизны S_max. Для инженерных расчетов удобно пользоваться температурными коэффициентами параметров I_max и S_max, определяемыми как

; (2.35)

. (2.36)

Температурная зависимость тока стока и крутизна характеризуются температурными коэффициентами a_I и a_S, определяемыми из выражений:

; (2.37)

. (2.38)

Рис. 2.10

Очевидно, что ток стока и нагрузка не зависят от температуры в том случае, если a_I=0 или a_S=0. Тогда из выражений (2.37), (2.38) можно найти напряжения смещения U_зио (рис. 2.10 а) и U_зи1 (рис. 2.10 б):

; (2.39)

. (2.40)

Здесь U_отс берется при Т=20⁰С.

Между величинами U_зио и U_зи1 существует простая связь: 2U_зио?U_зи1= U_omc, откуда следует, что при одном и том же напряжении смещения затвор-исток принципиально невозможно иметь одновременно нулевые температурные дрейфы тока стока и крутизны.

Из анализа выражений (2.37) и (2.38) видно, что знак и величина коэффициента a_I и a_S определяются величиной напряжения отсечки U_отс и напряжения смещения U_зи. Например (рис. 2.10 а), в зависимости от величины напряжения U_з и a_I может быть отрицательным (U_зи<U_зно), равным нулю (U_зи=U_зно) или положительным (U_зи>U_зно).

На рис. 2.11 приведены зависимости a_I и a_S для кремниевых ПТ с каналом р-типа от величины напряжения отсечки для двух значений напряжения отсечки для двух значений напряжения смещения, между которыми обычно находится рабочая точка.

Эти графики позволяют выбрать по заданной величине коэффициентов a_I и a_S приборы с требуемой величиной напряжения отсечки или решить обратную задачу: по величине U_omc оценить ожидаемые температурные коэффициенты тока стока и крутизны.

Рис. 2.11 Рис. 2.12

На рис. 2.12 приведены зависимости относительно значения тока стока (1) и крутизны (2) в температурно-стабильной точке при U_зи= U_зио от величины напряжения отсечки. Из этих графиков видно, что соответствующие относительные значения тока стока и крутизны в температурно-стабильных точках тем больше, чем меньше величина напряжения тосечки. Поэтому при конструировании термо-стабильных усилителей на ПТ желательно использовать транзисторы с малыми напряжениями отсечки.

Для МДП-транзисторов, если не учитывать влияние подложки на ток стока значения U_зиои U_зи1 определяются также выражениями (2.39) и (2.40). Однако для них зависимость коэффициентов a_m и a_u от температуры более сильная, чем у транзисторов с управляемым p-n-переходом.