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.
|
