Buderus-trade.ru

Теплотехника Будерус
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

4. 5. 2. Тепловой ток транзистора (обратный коллекторного перехода)

4.5.2. Тепловой ток транзистора (обратный коллекторного перехода)

Неуправляемый ток коллекторного перехода Jко (Jкоб) имеет сильную зависимость от температуры, поэтому его часто называют тепловым током транзистора. Этот ток протекает через базовую цепь транзистора и поэтому неуправляемый тепловой ток коллектора в схеме ОЭ будет значительно выше чем в схеме ОБ: Jкоэ = Jкоб(β+1). Изменение теплового тока с температурой может в усилительных каскадах приводить к изменению положения рабочей точки, поэтому принимаются специальные меры для её температурной стабилизации.

Зависимость Jко от конструктивных параметров транзистора дается (4_91):

Допустим, что транзистор является симметричным, т.е. технологические параметры эмиттерной области такие же как и коллекторно, тогда : a12 = a21, a11 = a22. Кроме того учтем, что легирование эмиттерной и коллекторой областей значительно сильнее, чем базовой тогда pp>>nn и соответственно pn>>np, что позволяет в a11 a22 оставить только один член с неосновными носителями.

Подставив в выражение для Jко из a12=a21 из (4_87) и a11 = a22 из (4_94) получим:

Так как w/Lp << 1, то th(w/Lp)

w/Lp и для Jко можно записать:

Таким образом при сделанных допущениях Jко совпадает с a11 = a22 (см. 4_94) и соответственно будет равен ирку Jэо.

Как видно из (4_95) тепловой ток транзистора определяется тепловой генерацией неосновных носителей в базе транзистора, причем чем уже база, тем меньше тепловой ток.

4.5.3. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода — rэ

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rэ является одним из элементов физической эквивалентной схемы транзистора. Рассчитаем как оно зависит от тока эмиттера (положения рабочей точки). Для активной области (Uэб>0 и Uкб<0) для входной характеристики с хорошей точностью можно записать:

Из (4_96) следует:

4.5.4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода — rк

Рис. 64 Диаграмма, иллюстрирующая изменение ширины базы транзистора при изменении ширины ОПЗ коллекторного перехода при увеличении коллекторного напряжения (Uкб2>Uкб1).

Основным фактором влияющим на величину коллекторного сопротивления является эффект модуляции толщины базы изменяющимся напряжением коллекторного перехода. При увеличении коллекторного тока область ОПЗ расширяется и ширина базы уменьшается, что сопровождается возрастанием коэффициента передачи транзистора по току и соответственно ростом коллекторного тока. Для коллекторного сопротивления можно записать:

Изменение ширины базы примерно равно изменению ширины ОПЗ коллекторного перехода (см. рис. ):

dw(Uкб) = — dl(Uкб) (4_99)

Принимая во внимание, что легирование коллектора значительно выше легирования базы и используя формулу ( ) для барьерной емкости перехода получим:

Таким образом получено выражение для второго сомножителя в уравнении (4_98). Рассчитаем теперь первый сомножитель.

Подставив результирующие выражения (4_101) и (4_100) в (4_98) получим:

Таким образом rк возрастает с увеличением коллекторного напряжения ( пропорционально √Uкб) и уменьшается при увеличении тока эмиттера (соответственно и тока коллектора), т.е. при больших токах наклон выходных характеристик возрастает (веерообразность характеристик особенно заметна в схеме ОЭ при изменении коллекторного тока в широких пределах). Рис. иллюстрирует соответствующие (4_103) зависимости rк от коллекторного напряжения и тока эмиттера.

Рис. 65. Зависимость rк от напряжения коллектора и тока эмиттера (Uк2>Uк1, Iэ2>Iэ1)

Читайте так же:
Тепловой источник постоянного тока

4.2. Принцип действия транзистора

Внешние напряжения в нормальном активном режиме подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллек­торного перехода – в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения UЭБ и UКБ (рис. 4.3, б). Для pnp-транзистора напряжение UЭБ подключается положительным полю­сом к эмиттеру относительно базы, напряжение UКБ – отрицатель­ным полюсом к коллектору относительно базы (схема с общей базой).

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через pn-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей преобладает над электронным потоком. Поэтому инжекцией из базы в эмиттер в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока pn-перехода используют коэффициент инжекции:

где и – дырочная и электронная составляющие тока эмиттерного перехода; – полный ток эмиттерного перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи р-п-перехода электрический заряд, который в течение времени компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника . Аналогично заряд электронов в эмит­тере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных тран­зисторах) и разности концентраций и внутреннего электричес­кого поля (в дрейфовых) инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору.

Если бы база была достаточно толстой (W > 3L, где L – диффузионная длина неосновных носителей в базе), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному pn-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного pn-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. W << 0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы.

Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного pn-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного pn-перехода несколько больше тока коллек­торного pn-перехода.

Относительное число неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса:

где 73_2.gif> , концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; , – токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Читайте так же:
Работа электрического тока равна количеству теплоты

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный pn-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации ( ), они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток коллектора был бы равен току эмиттера.

В действительности только часть ( ) тока эмиттера составляют дырки и только часть их ( ) доходит до коллек­торного перехода. Поэтому дырочная составляющая тока коллектора, вызванная инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равна

где – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через коллекторный pn-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток Iко. Причины его возникновения те же, что и в единичном pn-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи равен:

Как известно, обратный ток создается дрейфом неосновных носителей за­ряда из близлежащих областей об­ратно включенного pn-перехода. По­скольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от темпе­ратуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера ток Iко не зависит.

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному пе­реходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному pn-переходу приложить напряжение, изменя­ющее по этому закону ток эмиттера.

Рассмотрим качественную картину протекания токов через транзистор в рассматриваемой схеме (рис. 4.4). В соответствии с изложенным ток эмиттера ( ) равен сумме дыроч­ной ( ) и электронной ( ) составляющих:

Ток кол­лектора ( ) состоит из дырочной составляющей ( ) и теплового тока ( ):

Ток базы ( ) равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера ( ), рекомбинационной дыроч­ной составляющей ( ) и теплового тока ( ):

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока () под действием подводи­мого входного тока (или напряжения U ’ ЭБ), обусловливается измене­нием дырочной составляющей колл
екторного тока ( ) за счет измене­ния дырочной составляющей эмиттерного тока (рис. 4.4).

Таким об­разом, принцип действия биполярного транзистора основан на соз­дании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (вы­ходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока, следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Ток, текущий через эмиттерный переход ( ), яв­ляется управляющим током, or которого зависит ток в цепи коллектора ( ) – управляемый ток. Ток базы ( ) представляет собой разность управляющего и управляемого токов (ток рекомбина­ции дырок в базе). Основные носители базы (электроны) при компенсации движения дырок через эмиттерный и коллектор­ный переходы движутся в выводе базы в различных направле­ниях.

Иначе говоря, в рассмотренном режиме через транзистор про­текает сквозной ток: от эмиттера через базу к коллектору. Некоторая, незначительная часть этого тока (Iбp) вследствие рекомбина­ции в толще базы ответвляется в цепь базы (рис. 4.4).

Вообще говоря, током, текущим через транзистор, можно управлять, изменяя напряжение на любом из двух электронно-дырочных переходов. Однако, степень зависимости эмиттерного, а следовательно, и коллекторного тока от напряжений и в активном режиме различна.

Читайте так же:
Автоматический выключатель с тепловым расцепителем 63а

К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, и поэтому ток через этот переход, а значит и коллекторный ток сильно зависит от напряжения , возрастая с увеличением этого напряжения по экспоненциальному закону. Таким образом, изменяя напряжение на эмиттерном переходе, можно легко и в значительных пределах управлять током, текущим в транзисторе.

Иным образом зависит значение этого тока от обратного нап­ряжения на коллекторном переходе. Даже если напряжение = 0, дырки, прошедшие через базу и приблизившиеся к коллек­торному переходу, увлекаются диффузионным полем перехода ( ) в коллекторную область. Подключение обратного напряжения приводит к увеличению поля в коллекторном переходе до величины:

где – поле за счет подключения напряжения .

Однако при этом коллекторный ток практически не изме­няется, так как независимо от величины ускоряющего поля в коллектор переходят все дырки, которые приходят к коллектор­ному переходу и число которых определяется лишь числом инжек­тированных из эмиттера в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Таким образом, транзистор отвечает требованиям, которые предъявляются к электронным приборам (преобразователям электрических сигналов), он обладает: легкостью управления током в приборе сигналом в его входной цепи и по возможности меньшим влия­нием напряжения в выходной цепи на значение этого тока.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

4.14. Зависимость параметров биполярных транзисторов от режима работы

Параметры транзистора зависят от режима работы. В качестве величин, определяющих режим работы биполярного транзистора, удобно использовать ток эмиттера и напряжение на коллекторном переходе.

Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера.

Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера  α  от напряжения  U к б  на коллекторном переходе в основном обусловлена двумя факторами: модуляцией толщины базы и ударной ионизацией в коллекторном переходе.

Из-за модуляции толщины базы с ростом абсолютного значения напряжения  U к б  уменьшаяется эффективная толщина базы и приближается к единице коэффициент  α п  переноса неосновных носителей, а, следовательно, возрастает и приближается к коэффициенту инжекции  γ  коэффициент  α .

При наличии ударной ионизации ток коллектора возрастает, а коэффициент передачи тока эмиттера в режиме лавинного размножения носителей заряда определяется выражением  α M = M α , где  M  - коэффициент лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе. В режиме лавинного размножения коэффициент передачи тока эмиттера может превышать единицу, что качественно меняет свойства транзистора.

Зависимость  α  от тока эмиттера обусловлена, главным образом, изменением коэффициента инжекции  γ . В области малых токов существенное влияние на коэффициент инжекции оказывает ток рекомбинации в области эмиттерного перехода, вызывая уменьшение коэффициента  γ  при уменьшении тока эмиттера. Влияние тока рекомбинации может привести к уменьшению  α  в 2 и более раза.

При высоком уровне инжекции зависимость коэффициента  γ  от тока эмиттера объясняется модуляцией сопротивления базы: с увеличением тока эмиттера увеличивается удельная проводимость области базы и согласно (4.22) уменьшается коэффициент  γ . Уменьшение коэффициента  α  является важным фактором, ограничивающим максимальный рабочий ток транзистора.

Уменьшение коэффициента  α  в области больших и малых токов приводит к наличию максимума в зависимости  α ( I э )  при токе, рекомендуемом в качестве номинального.

Читайте так же:
Условный тепловой ток контактора это

Зависимость сопротивления эмиттерного перехода. Сопротивление эмиттерного перехода  r э , как следует из выражения (4.43), обратно пропорционально току эмиттера вплоть до очень малых значений последнего. Зависимость  r э  от напряжения на коллекторном переходе очень слаба, и ею можно пренебречь.

Зависимость сопротивления коллекторного перехода. Сопротивление коллекторного перехода  r к  согласно (4.73) обратно пропорционально току эмиттера и пропорционально величине  U к б . С ростом напряжения на коллекторном переходе величина  r к  растет, но при некотором значении  U к б  возрастание  r к  прекращается вследствие возрастания поверхностной утечки и ударной ионизации в коллекторном переходе, а при дальнейшем увеличении  U к б  сопротивление  r к  несколько падает.

Зависимость коэффициента внутренней обратной связи по напряжению. Коэффициент  μ э к  согласно (4.77) обратно пропорционален величине  U к б  и не зависит от тока эмиттера.

Зависимость объемного сопротивления базы. Объемное сопротивление базы  r б  модулируется при больших токах эмиттера, что проявляется, в первую очередь, в активной области базы, поэтому с ростом тока эмиттера сопротивление активной области базы играет все меньшую роль и суммарная величина  r б  все больше определяется пассивными областями (4.81), (4.82).

Зависимость среднего времени пролета носителей заряда через базу. Зависимость времени пролета неосновных носителей через базу от тока эмиттера определяется влиянием этого тока на коэффициент диффузии. В области больших токов наблюдается некоторое уменьшение коэффициента диффузии, а, следовательно, увеличение времени пролета.

Зависимость времени пролета носителей через базу от напряжения на коллекторном переходе обусловлено эффектом модуляции толщины базы: с ростом напряжения  U к б  толщина базы уменьшается, что приводит в соответствии с (2.94) к уменьшению времени пролета неосновных носителей через базу.

Зависимость емкостей переходов транзистора. Барьерная емкость коллекторного перехода обратно пропорциональна величине  U к б  и не зависит от тока эмиттера. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению диффузионных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов, а вследствие модуляции толщины базы емкости уменьшаются с ростом напряжения  U к б .

Влияние температуры на параметры биполярных транзисторов

Сильная зависимость электрофизических свойств полупроводников от температуры обусловливает существенное влияние температуры на характеристики и параметры биполярных транзисторов.

Коэффициент передачи тока эмиттера  α   увеличивается с ростом температуры, главным образом благодаря существенному возрастанию времени жизни носителей заряда. Коэффициент   α  изменяется в 3-4 раза у кремниевых транзисторов в интервале температур  ( − 60 ÷ + 150 ) ∘ C , а у германиевых — в интервале температур  ( − 60 ÷ + 70 ) ∘ C .

Обратный ток коллекторного перехода обусловлен тепловой генерацией носителей заряда и возрастает с ростом температуры по экспоненциальному закону (2.61). Часто температурная зависимость обратного тока коллекторного перехода   I к б 0   аппроксимируется выражением (2.64) и характеризуется температурой удвоения, которая для германиевых транзисторов составляет порядка 8°С, а для кремниевых — 10°С. Температурная зависимость обратного тока коллекторного перехода особенно сильно проявляется в схеме с общим эмиттером, для которой   I к э 0 = ( 1 + β ) I к б 0 .

Температурная зависимость прямого напряжения на эмиттерном переходе обусловлена влиянием температуры на температурный потенциал  ϕ T = k T q  и на тепловой обратный ток перехода, которые с ростом температуры возрастают. В результате прямое напряжение на эмиттерном переходе с ростом температуры уменьшается (4.52) приблизительно на величину (2-3) мВ/°С.

Читайте так же:
Количество теплоты выделяемое за 54 минуты проводником с током

Влияние температуры на статические вольт-амперные характеристики обусловлено температурными зависимостями обратного тока коллекторного перехода, коэффициента передачи тока эмиттера и прямого напряжения на эмиттерном переходе. С ростом температуры входные характеристик транзистора смещаются влево, а выходные характеристики — вверх. Поскольку температурная зависимость обратного тока коллекторного перехода и коэффициента передачи тока эмиттера наиболее сильно проявляются в схеме с общим эмиттером, данная схема по температурным свойствам является наименее стабильной.

обратный ток насыщения

обратный ток насыщения — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN reverse saturation current … Справочник технического переводчика

ток — ((continuous) current carrying capacity ampacity (US)): Максимальное значение электрического тока, который может протекать длительно по проводнику, устройству или аппарату при определенных условиях без превышения определенного значения их… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Тиристор — Обозначение на схемах Тиристор  полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p n переходами и имеющий два устой … Википедия

Динистор — Обозначение на схемах Тиристор полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р n p n типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями состоянием низкой проводимости… … Википедия

ГОСТ 20003-74: Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров — Терминология ГОСТ 20003 74: Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров оригинал документа: 1 При заданном обратном токе эмиттера в токе коллектора, равном нулю, UЭБ0, UEB0. 2 При заданном токе коллектора и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

постоянный — 2.43 постоянный (continuous): Выполняемый непрерывно. [ИСО 14644 2:2000, статья 3.2.1] Источник: ГОСТ Р ИСО 14644 6 2010: Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 6. Термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Биполярный транзистор — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор  трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно… … Википедия

напряжение — 3.10 напряжение: Отношение растягивающего усилия к площади поперечного сечения звена при его номинальных размерах. Источник: ГОСТ 30188 97: Цепи грузоподъемные калиброванные высокопрочные. Технические условия … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 25066-91: Индикаторы знакосинтезирующие. Термины, определения и буквенные обозначения — Терминология ГОСТ 25066 91: Индикаторы знакосинтезирующие. Термины, определения и буквенные обозначения оригинал документа: 35 (зна косинтезирующий) индикатор со встроенным управлением: Знакосинтезирующий индикатор, конструктивно выполненный с… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

p — n-ПЕРЕХОД — (электронно дырочный переход) слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n область) и дырочной ( р область) проводимостью. Различают гомопереход, получающийся в результате… … Физическая энциклопедия

время — 3.3.4 время tE (time tE): время нагрева начальным пусковым переменным током IА обмотки ротора или статора от температуры, достигаемой в номинальном режиме работы, до допустимой температуры при максимальной температуре окружающей среды. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector