3.4. Предельные режимы биполярного транзистора Рабочий диапазон температур транзистора

Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы в каждой из его областей — эмиттерной, базовой и коллекторной — преобладала электропроводность одного типа — дырочная или электронная. При повышении температуры транзистора это соотношение электропроводностей может нарушиться и тогда он теряет работоспособность.

Максимальная рабочая температура определяется энергией ионизации атомов основного вещества и концентрацией примесей.

С ростом температуры увеличивается количество ионизированных атомов основного вещества, концентрация неосновных носителей заряда приближается к концентрации основных носителей и работоспособность транзистора нарушается. Чем выше энергия ионизации основного вещества и больше концентрация примеси, тем выше максимальная рабочая температура транзистора. Расчет и экспериментальные исследования показывают, что максимальная рабочая температура германиевых транзисторов может лежать в пределах 70 – 100°С, а для транзисторов из кремния, имеющего большую ширину запрещенной зоны, чем германий, максимальная рабочая температура может составлять 125 – 200°С.

Минимальная температура, при которой транзистор еще может работать, определяется энергией ионизации примесей и их концентрацией. Так как энергия ионизации примесей очень невелика (0,05 – 0,01 эВ), то минимальная рабочая температура транзистора теоретически составляет около – 200°С. Фактически нижний предел температуры ограничивается термоустойчивостью корпуса и допустимыми изменениями параметров, поэтому его величина обычно равна – (60 – 70)°С.

Необходимо иметь в виду, что изменение температуры транзистора в пределах рабочего диапазона также существенно сказывается на его рабочих свойствах, что может вызвать температурную нестабильность параметров транзисторной аппаратуры. Поэтому при проектировании и эксплуатации следует учитывать влияние температуры на характеристики и параметры транзисторов.

25

Максимально допустимая непрерывно рассеиваемая мощность транзистора

При прохождении тока через транзистор джоулево тепло выделяется в основном в коллекторном переходе, обладающем наибольшим электрическим сопротивлением по сравнению с другими областями транзисторной структуры, поэтому наибольшую температуру во время работы транзистора имеет его коллекторный переход.

Отвод тепла от перехода в транзисторе, так же как и в полупроводниковом диоде, происходит главным образом за счет теплопроводности, и мощность

рассеяния транзистора определяется следующим соотношением, аналогичным (3.21):

Здесь Т_п — температура коллекторного перехода транзистора; Т₀ – температура окружающей среды; R_т – тепловое сопротивление транзистора, определяющее передачу тепла от коллекторного перехода к корпусу транзистора и зависящее от теплопроводности материалов, из которых изготовлен транзистор, и его конструкции; R_то – тепловое сопротивление теплоотвода, определяющее передачу тепла от корпуса транзистора в окружающую среду и зависящее от конструкции теплоотвода, теплопроводности материала, из которого он изготовлен, и качества теплового контакта корпуса транзистора с теплоотводом.

Максимальная мощность рассеяния транзистора определяется максимально допустимой температурой его коллекторного перехода Т_{п max} и температурой окружающей среды Т₀. При пренебрежимо малом тепловом сопротивлении теплоотвода R_ТО< R_Т из соотношения (3.80) получаем, что максимальная мощность рассеяния транзистора равна

(3.80)

Максимально допустимая температура коллекторного перехода составляет 70 – 100°С для германиевых и 125 – 200°С для кремниевых транзисторов. Для конкретных типов приборов она указывается в справочниках.

Пробой транзистора

Тепловой пробой. При нарушении теплового баланса, когда вследствие недостаточного теплоотвода прирост подводимой к коллекторному переходу мощности U_КБI_к не компенсируется соответствующим приростом отводимой мощности, в транзисторе имеет место тепловой пробой. При этом температура перехода неограниченно растет, увеличиваются ток коллектора и подводимая мощность U_КБI_к , в результате транзистор перегревается и выходит из строя.

Величину напряжения, не приводящую к тепловому пробою транзистора, можно оценить с помощью соотношения, аналогичного (3.25):

(3.81)

Допустимое напряжение U_КБт тем меньше, чем больше обратный ток транзистора I_КБо, его тепловое сопротивление R_т и температура окружающей среды T₀. При плохом теплоотводе и высокой температуре окружающей среды 26 напряжение теплового пробоя может стать значительно ниже, чем рабочее напряжение транзистора. Особенно опасен тепловой пробой для мощных транзисторов, имеющих значительный ток I_КБо .

Электрический пробой. Пробой переходов в транзисторе может возникать также вследствие ионизации атомов электрическим полем и ударной ионизации. Поскольку переходы находятся во взаимодействии, величина пробивного напряжения существенно зависит от схемы включения транзистора.

Пусть вследствие размножения электронно-дырочных пар в коллекторном переходе ток коллектора возрос в M раз и получил значение

(3.82)

Этот эффект можно рассматривать как увеличение коэффициента передачи тока эмиттера а, который становится равным

а* = Ма. (3.83)

В уединенном переходе с ростом приложенного напряжения коэффициент размножения носителей заряда М увеличивается в соответствии с эмпирической зависимостью (3.15):

где показатель k имеет величину от 2 до 6 в зависимости от материала и типа

п ерехода. Это соотношение остается справедливым и для транзистора при отключенном эмиттере, когда коллекторный переход можно рассматривать как уединенный.

Пробой коллекторного перехода наступает при U_КБ ~U_л> при этом а* = М а -оо и ток коллектора лавинообразно нарастает, как показано на рис.3.28 (кривая I_э=0). Напряжение пробоя коллекторного перехода при отключенном эмиттере принято обозначать U_КБо *. В Рис 3.28 схеме с общим эмиттером коэффици ент передачи тока базы в предпробивном режиме

(3.84)

Пробой в данном случае должен наступать при р*-> ос, т. е. при М а 1, а следовательно, при напряжении, значительно меньшем U_КБо.

Подставляя в равенство (3.84) условие М = 1/а и учитывая, что U U_КЭ, U_л~ U_КБо, найдем напряжение пробоя для случая, когда цепь базы разорвана:

(3.85)

причем значение а берут при I_к I_КБо.

Расчет и эксперимент показывают, что U_КЭo обычно в два-три раза ниже, чем U_КБо (кривая I_Б = 0 на рис. 3.28).

При увеличении тока коллектора, т е. при прямом напряжении базы, коэффициент передачи тока а возрастает и напряжение пробоя падает.

27