Dependenta parametrilor tranzistorului de temperatura

Dependenta parametrilor tranzistorului de temperatura

1.8.1. Influenta temperaturii asupra

parametrilor semiconductorilor

Dependenta parametrilor si caracteristicilor dispozitivelor semiconductoare de temperatura este conditionata de faptul ca proprietatile fizice ale materialului semiconductor într-o masura mare se modifica sub influenta temperaturii. De exemplu, conductibilitatea specifica a semiconductorului este determinata de

relatia

, (1.62)

unde: , prezinta mobilitatea purtatorilor de sarcina ce sunt functie de temperatura;, - concentratia purtatorilor de sarcina.

Dependenta tipica a conductibilitatii specifice a semiconduc-torului de temperatura este prezentata în fig.1.23.

Fig.1.23. Dependenta electroconductibilitatii specifice a

semiconductorului cu impuritatii d 949h79j e temperatura

La temperatura foarte joasa în semiconductor electronii ce se afla pe ultimul nivel energetic interactioneaza între ei foarte puternic. Cu majorarea temperaturii la are loc ionizarea atomilor de impuritati si majorarea concentratiei purtatorilor de sarcina mobili. Majorarea valorii conductibilitatii specifice are loc dupa legea , unde este un numar întreg sau fractionar. Cu marirea de mai departe a temperaturii toti atomii de impuritati sunt ionizati, concentratia purtatorilor de sarcina intrinseci ramâne sa fie nesemnificativa si, ca urmare, conductibilitatea specifica scade din cauza micsorarii mobilitatii purtatorilor de sarcina . Majorarea de mai departe a conductibilitatii specifice cu cresterea temperaturii are loc din cauza aparitiei perechilor electron - gol în semiconductorul intrinsec.

1.8.2. Modificarea parametrilor tranzistoarelor

bipolare la variatia temperaturii

Practic toti parametrii schemei echivalente a tranzistorului, prezentate în fig.1.19...fig.1.22, depind de temperatura.

Rezistenta jonctiunii emitorului depinde de temperatura în modul urmator

, (1.63)

unde: este constanta lui Boltzman; - temperatura; - sarcina electronului;- curentul emitorului.

Se observa ca odata cu majorarea temperaturii pentru curentul emitorului constant rezistenta creste.

Rezistenta bazei este determinata de relatia

, (1.64)

unde este coeficientul de transfer dupa curent în cuplarea tranzistorului EC.

Rezistenta colectorului tranzistorului (fara drift) în cazul jonctiunii abrupte

, (1.65)

unde: este tensiunea între baza si colector; - grosimea bazei; - grosimea jonctiunii colectorului.

Pentru tranzistorul cu drift

. (1.66)

Pentru a determina influenta temperaturii asupra rezistentei jonctiunii colectorului este necesar de a analiza caracteristicile în functie de temperatura a parametrilor ce intra în componenta relatiei (1.66). Se cunoaste ca

. (1.67)

Coeficientul de transfer al curentului în cuplaj BC este determinat de relatia

, (1.68)

unde:este coeficientul de injectie;- coeficientul de transfer; - eficacitatea colectorului.

Cu majorartea temperaturii creste putin si valoarea coeficientului de transfer , deoarece se mareste neesential si lungimea de difuzie a purtatorilor de sarcina . Aceasta provoaca majorarea coeficientului de transfer dupa curent . Majorarea valorii lui provoaca cresterea lui . Modificarea valorii constituie .

Curentul emitorului depinde de temperatura

, (1.69)

unde este curentul termic al jonctiunii emitorului.

Cu majorarea temperaturii, curentul emitorului creste din cauza modificarii valorii , dupa legea exponentiala, si este mai evidentiat la temperaturi înalte (se mareste de doua ori la fiecare 10 grade în variatia temperaturii).

Jonctiunea colectorului este asimetrica si grosimea poate fi exprima prin relatia

, (1.70)

unde: este concentratia impuritatilor în regiunea jonctiunii colectorului; - bariera de potential.

Fiindca asupra grosimii jonctiunii influenteaza nivelul concentratiei purtatorilor de sarcina cu modificarea temperaturii. Deoarece concentratia purtatorilor de sarcina se mareste odata cu cresterea temperaturii, grosimea jonctiunii scade. În asa mod, la o temperatura nu prea înalta cea mai mare influenta o va avea majorarea coeficientului de transfer, ceea ce va provoca marirea rezistentei jonctiunii colectorului. La temperatura mai înalta va avea loc micsorarea din cauza influentei tot mai mari a curentului emitorului

, (1.71)

unde

; .

La , pentru germaniu si pentru siliciu. Daca vom trece de la logaritmul natural la cel in baza 2, obtinem

, (1.72)

unde este temperatura de dublare a curentului termic.

Pentru jonctiunea fabricata din germaniu, , din siliciu - . Dependenta de temperatura a parametrilor din schema echivalenta analizata este prezentata în fig.1.24.

Fig.1.24. Dependenta parametrilor fizici de temperatura

pentru tranzistorul bipolar

Dupa cum se cunoaste, tranzistorul bipolar poate fi prezentat ca cuadripol liniar. Parametrii h ai tranzistorului sunt legati de parametrii schemei echivalente prin relatiile urmatoare

; ;; ;

; ; (1.73)

; .

În practica, de obicei, apare problema inversa - dupa parametrii h cunoscuti se determina parametrii fizici

; ; . (1.74)

Dependenta de temperatura a parametrilor h pentru tranzistorul bipolar este prezentata în fig.1.25.

Fig.1.25. Dependenta parametrilor h de temperatura

pentru tranzistorul bipolar

1.8.3. Dependenta caracteristicilor tranzistorului

bipolar de temperatura

Cu majorarea temperaturii, curentul emitorului se mareste esential si caracteristica de intrare pentru schema de conectare BC are forma indicata în fig.1.26. Deplasarea caracteristicilor are loc aproximativ cu .

Curentul de iesire (curentul colectorului) se determina conform relatiei

. (1.75)

Rezulta ca pentru curent constant al emitorului modificarea absoluta a curentului colectorului va fi urmatoarea:

. (1.76)

Modificarea relativa pentru curentul colectorului este

. (1.77)

Din cauza ca modificarea coeficientului nu este majora, iar este de ordinul , atunci devierea caracteristicilor de iesire cu temperatura pentru schema BC este nesemnificativa (fig.1.26).

Pentru schema de conectare EC curentul de intrare este curentul bazei care aproximativ este determinat din formulele Ebers - Moll în modul urmator:

, (1.78)

unde: prezinta coeficientul de transfer în regim activ; - coeficientul de transfer în regim de inversie; - potentialul termic; , - curentii inversi ai jonctiunii emitorului si colectorului.

Caracteristicile de intrare, masurate pentru diferite temperaturi, se intersecteaza, deoarece unele componente din relatia (1.78) depind în mod diferit de temperatura (fig.1.27).

Fig.1.26. Dependenta de temperatura a parametrilor h

Fig. 1.27. Dependenta de temperatura a caracteristicilor

de intrare în schema de cuplare EC

Curentul colectorului pentru schema de conectare EC se scrie în forma urmatoare:

. (1.78)

Fig.1.28. Dependenta de temperatura a caracteristicilor de iesire în schema cu EC

Instabilitatea relativa a curentului colectorului pentru

, (1.80)

adica se mareste în comparatie cu conectarea BC de ori. Din relatia (1.80) se observa ca modificarea caracteristicilor de iesire a tranzistorului conectat în schema EC este semnificativa. De exemplu, daca în diapazonul dat de temperaturi în schema BC modificarea formei caracteristicilor de iesire va fi de câteva procente, atunci pentru conectarea EC ea va constitui sute de procente. În fig.1.28. sunt prezentate caracteristicile de iesire ale tranzistorului bipolar conectat în schema EC, obtinute pentru câteva valori ale temperaturii.

1.8.4. Regimul limita de functionare pentru tranzistoarele

bipolare la variatia temperaturii

Se cunoaste ca odata cu majorarea temperaturii considerabil se mareste concentratia purtatorilor de sarcina minoritari în functie de largimea benzii interzise a semiconductorului. Când concentratia purtatorilor de sarcina minoritari se apropie de concentratia purtatorilor de sarcina majoritari, functionarea dispozitivului semiconductor se deregleaza. Temperatura maxima de lucru este determinata de energia de ionizare a semiconductorului si concentratia impuritatilor. Pentru tranzistoarele fabricate din germaniu temperatura maxima de functionare variaza în limitele , iar pentru cele din siliciu în limitele . Aceasta se datoreaza diferentei dintre largimea benzii interzise (pentru germaniu , siliciu ). Limita de jos a temperaturilor de lucru este determinata de energia de ionizare a impuritatilor (), si reprezinta aproximativ . Practic diapazonul minim al temperaturilor de lucru este limitat de diferiti factori tehnologici si de particularitatile constructive si se plaseaza în limitele .

Dintre toate regiunile din structura tranzistorului cea mai mare putere este disipata pe jonctiunea colectorului, deoarece ea poseda rezistenta electrica mai majora. Pentru functionarea normala tranzistoarele de putere sunt utilate cu radiatoare iar puterea disipata de jonctiunea colectorului poate fi determinata conform relatiei

, (1.81)

unde: este temperatura jonctiunii colectorului; - temperatura mediului; - rezistenta termica a jonctiunii colector - carcasa ; - rezistenta termica radiator - mediu.

Rezistenta termica este un parametru important al tranzistorului si este indicata în îndrumarele respective. De obicei ea se exprima în grade celsius pe miliwat sau grad celsius pe wat si pentru majoritatea tranzistoarelor se plaseaza în limitele .

Temperatura maxim admisibila determina regimurile de limita

dupa curent, tensiune si putere. Cu cresterea temperaturii, curba puterilor admisibile se deplaseaza în jos (fig.1.29). Suprafata radiatorului este determinata de relatia

, (1.82)

unde B este coeficientul termic .

Fig. 1.29. Dependenta de temperatura a regimurilor de

functionare a tranzistorului

Dependenta experimentala care leaga variatia de temperatura si coeficientul termic B este prezentata în fig.1.30. Curba 1 corespunde convectiei libere a aerului, iar curba 2 - racirii fortate (viteza fluxului de aer aproximativ ).

Fig.1.30. Dependenta de temperatura a coeficientului termic

În asa mod la proiectarea aparatajului radioelectronic cu tranzistoare ce lucreaza într-un diapazon larg de temperaturi si este important de a cunoaste ce influenta are temperatura asupra parametrilor si caracteristicilor elementului activ si care sunt limitele în functionarea acestui dispozitiv electronic.