Главная Диоды и транзисторы



Для приборов средней и большой мощностей, используемых с радиатором, обычно оговаривается предельная температура корпуса прибора.

Для зарубежных приборов часто указывается максимальная температура хранения Tstg, которая является предельной температурой перехода данного прибора. При больших температурах даже в нерабочем состоянии могут происходить необратимые изменения свойств прибора. При высокой температуре активизируется действие примесей на поверхности кристалла, поэтому скорость деградации электрических параметров выше, чем при низких температурах.

2.7. КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ ТОКА

Коэффициент передачи hjia транзистора зависит от тока коллектора (эмиттера); с увеличением тока 1и (Ь) он сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается. в зависимости от технологии изготовления максимум кривой Ьг1Э=ф(1к) может быть резко вмраженным илн размытым (рис. 11). Например, максимум этой кривой у меза-траизисторов достигается при токах, на 1-2 порядка больших, чем у сплавных. После прохождения максимума Ьг.э уменьшается при-

Рис. 11. Типовые зависимости коэффициента передачи от тока коллектора

О SO wo ISO гоо гм/.пл

близительно обратно пропорционально 1и. Такая неравномерность усиления в диапазоне токов является источником нелинейных искажений. в мощных транзисторах спад коэффициента передачи происходит более резко, чем в маломощных. Особенно резкий спад происходит у сплавных кремниевых р-п-р транзисторов (из-за физико-технологических причин). Поэтому не удалось создать такие транзисторы иа большие рабочие токи.

У сплавных приборов h2i3 растет с увеличением напряжения на коллекторе Uk, у диффузионных эта зависимость слабо выражена (она наблюдается" лишь при малых напряжениях на коллекторе). С ростом температуры hsia обычно увеличивается (рис. 12).



Рис. 12, Зависимость относительного коэффициента передачи от тока коллектора, при различных значениях температуры и напряжения (---Uk3=1 в,

-ииэ=10 в)

2.8. ЕМКОСТИ ПЕРЕХОДОВ И ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ КОЛЛЕКТОРА

Емкости р-п переходов влияют на частотные и импульсные характеристики полупроводниковых приборов. Обычный р-п переход подобен конденсатору, емкость которого меняется при изменении приложенного напряжения. Эта емкость состоит из двух компонентов, проявляющихся при работе диода в прямом и обратном направлениях,- барьерной и диффузионной емкостей. Барьерная (зарядная) емкость Сб не зависит от тока через переход и является функцией частоты и обратного при--ложенного напряжения. Диффузионная емкость Сд пропорциональна прямому току (даже при небольших прямых токах Сд>Сб) и также зависит от частоты. Емкость р-п перехода при прямом смещении диода равна сумме Сд и Сб, при обратном - приблизительно емкости Сб, так как в этом случае емкость Сд пренебрежимо мала.

Обычно в ТУ на прибор даются зависимости емкостей от напряжений, приложенных к переходам. На рис. 13 приведена зависимость Ch(Ukb). С увеличением напряжения емкость нелинейно уменьшается. Емкость Ск равна разности измерений выходной емкости Сггэ и паразитной емкости ножки корпуса.

Постоянная времени Тк=гбСк, где гб - сопротивление базы, характеризует внутреннюю обратную связь в транзисторе и определяет частотные и усилительные свойства, максимальную частоту генерации и коэффициент усиления по мощности на высокой частоте. Кроме того, чем меньше его значение, тем выше устойчивость к самовозбуждению транзистора в усилителе. Через параметры х„ и Ск можно определить сопротивление базы, необходимое для расчета схем.

Рис. 13. Зависимость емкости коллектора от напряжения коллектор - база

2.9. ШУМЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Собственные шумы транзисторов ограничивают чувствительность усилителей. Их источниками являются шумы: тепловые, дробовые эмиттерного и коллекторного переходов, избыточные, а также случайного перераспределения тока эмдг* тера между коллектором и базой.

Тепловые шумы транзистора практически определяются омическим, сопротивлением базовой области. Дробовые шумы обусловлены флуктуациями носителей заряда через прибор (возникают при прохождении тока через эмиттериый и коллек-

торный переходы).

Избыточные шумы (фликкер-шумы)-специфические шумы, возникающие вслед-

•ствие изменения состояния поверхности кристалла полупроводника во времени. Они пропорциональны протекающему току и проявляются на низких частотах: в диапазоне звуковых и инфранизких частот. Значения избыточных шумов могут сильно колебаться даже для транзисторов одного типа, так как зависят от технологических

.факторов. Избыточные шумы больше у п-р-п транзисторов, чем у р-п-р. Транзисто-

ры с большими или нестабильными токами \кво имеют повышенные избыточные шу-



6д 5/окт

3 йВ/окт

МЫ. с ростом рабочей частоты доля избыточных шумов уменьшается и шумы транзисторов определяются в основном дробовыми и тепловыми составляющими.

Шумовые свойства транзистора обычно характеризуются коэффициентом шума, который определяется экспериментально или рассчитывается на основе анализа отдельных источников шума. Рассчитать точно коэффициент шума для области избыточных шумов невозможно, поэтому его определяют экспериментально.

Коэффициент шума - сложная функция многих переменных: полного сопротивления источника сигнала Rr, параметров режима, парамег-ров транзисторов (hjia, \къо, Сэ, fh2ie, гв, г,) и рабочей частоты fp. Зависимость Кш от частоты имеет три характерных участка (рис. 14): низких частот (Кш уменьшается пропорционально l/f); средних частот (Km не зависит от частоты)- область «белого» шума; высоких частот (при f>frp усиление резко уменьшается и шумы возрастают, Кш зависит от гв и отношения

(fp/fh2I6)2).

Эти участки обусловлены тем, что на различных частотах шумы генерируются различными источниками шумов. В области низких частот (0,1...5 кГц) коэффициент шума уменьшается примерно на 3 дБ на октаву, в области высоких частот увеличивается на 6 дБ на октаву, в области средних частот он минимален.

Следует отметить, что имеется взаимосвязь низкочастотных шумов и отказов приборов. Уровень низкочастотных шумов, пропорциональных l/f, дает информацию о структурных изменениях приборов и используется для распознавания разных дефектов в транзисторах, в частности трещин и нарушений целостности кристалла, наличия загрязнений поверхности, которые могут привести к отказам приборов. Методы неразрушающего контроля качества приборов по их шумам используютя в технологическом цикле производства. Кроме того, существуют методы прогнозирования основных параметров надежности приборов по их низкочастотным шумам.

Минимальное значение Кш достигается при определенных значениях сопротивления источника сигнала Rr н тока \к (рис. 15, 16). Увеличение Кш прн росте 1к

Рис. 14. Типовая зависимость коэффициента шума от частоты

П 10 8 S

и»

>

to да


Рис. 15. Зависимость коэффициента шума от частоты при различных значениях тока коллектора и сопротивления источника сигнала

Рис. 16. Типовая зависимость коэффициента шума от сопротивления источника сигнала и тока коллектора

происходит медленно при малых токах. При больших токах Km растет почти про*

?порционально 1к. С ростом Uw (в пределах 1...10 В) Кш почти не меняется, пока избыточные шумы малы по сравнению с дробовыми и тепловыми. В дальнейшем из-за увеличения избыточных шумов Кш возрастает. Таким образом, для того

, чтобы свести шумы к минимуму, выбирают оптимальный режим работы транзи-

JcTopa.

На средних и высоких частотах минимальный Кш будут иметь транзисторы о

Малыми гв и IjCBO и большими h2I3 и f2ie.

I Измерения параметра Кш производятся обычно при стандартном сопротивле-1иии Rr. Как правило, коэффициент шума увеличивается с ростом температуры.

2.10. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

Для анализа работы диода и транзистора в усилительном или генератор-;ИОм режиме используются метод эквивалентных схем и метод четырехполюсника. ; При первом методе основные расчетные соотношения схемы усилителя выра-жаются через параметры, отражающие физические процессы в транзисторе (диф-фузию, модуляцию ширины запирающего слоя), зарядные емкости, последователь->;ные сопротивления и др., с учетом особенностей конструкции, паразитных емкостей й индуктивностей выводов в рабочем интервале частот. Для различных областей применения и диапазонов рабочих частот эти схемы различны. В зависимости от расположения пассивных элементов получаются Т- и П-образные эквивалентные [схемы.

; Эквивалентная схема диода, включающая сопротивление р-п перехода, емкости р-п перехода (Се и Сд), емкость корпуса, индуктивности выводов, сопротивления 5а-;;вы и выводов, видоизменяется при обратном и прямом смещениях.

Метод четырехполюсника позволяет рассчитывать усилитель с помощью матриц без составления эквивалентной схемы транзистора. При этом параметры четырех-Полюсника (четыре комплексных параметра), характеризующие свойства транзисто-••ра, определяются экспериментально. В отличие от параметров эквивалентной схе-(Мы, они зависят от схемы включения. Существуют три системы параметров, одно-!8иачно определяющие свойства транзисторов: Z-, h- и Y-параметры. Каждая из них гимеет свои преимущества и недостатки. Выбор той или иной системы параметров определяется удобством анализа и расчета каждой конкретной схемы. При расчете низкочастотных схем наибольшее распространение получили Z-,и h-парамётры, высокочастотных схем - У-параметры.

Для устранения нестабильности работы транзисторов в усилительном режим», •связанной с внутренней обратной связью, используются схемные методы нейтра-;Лизации и демпфирования входных и выходных проводнмостей. С помощью внеш-вих схемных элементов стараются уменьшить коэффициенты, характеризующие 5обратиую связь (h,2, Y12). У ряда современных транзисторов влияние обратной связи Снижается технологическим способом.

I: Измерение параметра Yne позволяет оценить сопротивление базы, которое, а Свою очередь, определяет усилительные и частотные свойства транзисторов, а так-е высокочастотные шумы токораспределения (у транзисторов с малым сопротив-Лением гб уровень шумов также мал). Вообще сопротивление гв зависит от консг-



рукции и типа транзистора и лежит в диапазоне от нескольких единиц (у мощных приборов) до нескольких сотен Ом.

В качестве параметров, описывающих транзистор как четырехполюсник для СВЧ-диапазона, используются S-параметры: Зц и Sij - коэффициенты отражения соответственно от входа и выхода четырехполюсника при нагрузке на волновое сопротивление (входные и выходные сопротивления), S12 и Sji - коэффициенты обратной и прямой передач. Они применяются для расчета схем, работающих на частотах от 100 МГц до нескольких гигагерц (на этих частотах трудно осуществить условие короткого замыкания при измерении У-параметров). Кроме того, S-параметры имеют ряд преимуществ с точки зрения обеспечения устойчивости в процессе измеренчя, ио определяются только для конкретной рабочей точки и на фиксированной частоте.

Типовые (нормализованные) зависимости параметров четырехполюсника от режима и температуры иногда приводятся в справочниках или ТУ.

2.11. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ

Частотные свойства полупроводниковых приборов определяют области их применения.

Для эквивалентных схем и четырехполюсников существует ряд характеристических частот. Практическое значение имеют частоты, связанные с параметрами h2i6, h2i3 и У21Э, а также частота генерации fmax, определяющая область частот, в которой транзистор, в принципе, может применяться как генератор колебаний (на этой частоте коэффициент усиления по мощности Кур=1). Кроме того, fmai используется для оценки Кур на других частотах.

Модули коэффициентов передачи тока h2i6, Ъг\з и крутизны Yjia уменьшаются с ростом частоты, поэтому вводятся характеристические частоты, на которых этч параметры снижаются в у2 раз (до 0,707) относительно их значения на низкой частоте (соответствующие предельные частоты fh2ie, fh2ia, Гг21э). Усиление транзистора

на частотах, превышающих fh2i8 и fh2i6, падает со скоростью 6 дБ иа октаву, т. е. при рабочей частоте, в 2 раза превышающей {ь21э И fii2i6, коэффициент усиления уменьшается в 2 раза.

С ростом частоты входного сигнала коэффициент передачи плавно снижается и ча некоторой частоте, называемой граничной (frp= Ь21э1нзм, где 1изм - частота измерения), модуль h2i3 достигает значения, равного единице, т. е. усиление по току отсутствует (рис. 17).

Частота 1у21 используется для расчета ограниченного ряда схем (генераторов и широкополосных усилителей) и связана с frp формулой

?У21э = 1грГэ/г5.

Частота fmax также связана с frp:


Рис. 17. Зависимости коэффициентов передачи тока от частоты


80 SO

0.0? 0.05 0,10,2

Рис. 18. Зависимость граничной частоты от тока коллектора

1та1=У1гр/8ягбС к

Рис. 19. Зависимость граничной частоты от режима работы (Токр = 25°С)

Для характеристики транзисторов частота fh2i6 обычно используется на частотах до 20 МГц, а frp -свыше 20 МГц.

Имеются формулы, связывающие частоты fh2i6, fh2i3 и frp. В частности, frp= = kfh2ie, где к=0,65...0,82 для различных типов транзисторов (или fh2ie= (l,2...1,6)frp). Для бездрейфовых (сплавных) транзисторов обычно к=0,82, а предельная частота fb2ia=(l-h2ie)fb2i6. Значения frp зависят от положения рабочей точки (рис. 13) н температуры. Максимум зависимости frp от тока коллектора (эмиттера) обычно почти совпадает с максимумом зависимости параметра h2i3 от тока (рис. 19). При больших токах предельная частота падает, при малых токах частотные свойства транзисторов также ухудшаются.

2.12. ОБРАТНЫЕ ТОКИ

Обратные токи и их зависимости от приложенных напряжений и температуры учитываются при расчете режима работы диодов и транзисторов.

Значение обратного тока через переход зависит от свойства материала, технологии изготовления (геометрии перехода, состояния поверхности), мощности прибора и рабочей температуры. Полный обратный ток р-п переходов 1овр состоит л% трех компонентов: теплового тока 1о, тока термогенерации 1, и тока утечки 1у.

Тепловой ток зависит от физических свойств материала и обычно характеризуется температурой удвоения (приращением температуры, вызывающим удвоение теплового тока). У кремниевых диодов он значительно меньше, чем у германиевых, прн одной и той же площади перехода. Ток 1о экспоненциально зависит от температуры, причем у германиевых диодов он примерно удваивается при увеличения температуры на каждые 7...10°С, у кремниевых - на каждые 8...12°С.

Особенностью тока термогенерации является зависимость от напряжения. (Ширина перехода увеличивается с ростом напряжения, и ток 1т возрастает.) Он пропорционален уиГно увеличивается с ростом температуры слабее, чем ток 1о. Ток 1о начинает превышать 1т при температуре 100° С. При комнатной температуре для германиевых диодов Ь обычно мал и меньше 1о, но для кремниевых диодов, у которых 1т является главным компонентом полного обратного тока, 1т>1о (нч несколько порядков). Ток 1т для германиевых приборов становится соизмеримым с током 1о лишь при отрицательной температуре.

3 Заказ № 1141 Я



0 1 2 3 [4] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66


0.0166