Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным напряжения коллектор-база аналогично влиянию температуры на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

.                                (3.23)

С ростом температуры тепловой ток I_Э0 растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j_Т = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину DU » (1...2) мВ/°С (рисунок 3.7, а).

а)	б)
Рис. 3.7. Зависимость входных характеристик от температуры: а) для схем ОБ; б) для схем ОЭ

 

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б). При больших значениях тока базы характеристики ведут себя по тем же причинам так же, как и в схеме с ОБ.

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в АР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

         и       .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

Однако обычно I_КБО значительно меньше aI_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство произведения (b∙I_Б) означает, что температурная зависимость I_К будет определяться слагаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

 

 

На рис. 3.8, б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Семейства статических характеристик наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако при работе устройств с сигналами малой амплитуды возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) токов и напряжений  от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности - дифференциальными параметрами.

Возможны шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания функциональной связи токов и напряжений в четырехполюснике. На практике применяют два из них – систему h-параметров и систему y-параметров.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров примере в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ=I₁  (I_Э или I_Б) и выходное напряжение U_ВЫХ =U₂  (U_KБ или U_КЭ):

.                                                   (3.24)

Тогда уравнение четырехполюсника можно записать в виде:

.                                 (3.25)

Частные производные в выражениях (3.25)  являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

,                                      (3.26)

(h₁₁ – входное сопротивление, h₁₂ – коэффициент обратной передачи по напряжению, h₂₁ – коэффициент передачи входного тока и h₂₂ – выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

.                              (3.27)

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характеристикам и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.27) в виде:

.                  

 

Дифференциальные параметры полевого транзистора

Поскольку ПТ, как и электронная лампа, является прибором, управляемым напряжением, то рационально использовать систему уравнений с y-параметрами. Токи в этой системе считают функциями напряжений:

I₁ = f(U₁, U₂);                I₂ = f(U₁, U₂).                                              (4.4)

Тогда выражения для полных дифференциалов токов стока и затвора можно представить в виде:

                                      (4.5)

В этих выражениях частные производные, определяющие приращения токов при изменении соответствующих напряжений, можно рассматривать как дифференциальные параметры транзистора, имеющие размерность проводимости.

- входная проводимость,

- проводимость обратной передачи,

- проводимость прямой передачи,

- выходная проводимость.

Заметим, что y-параметры определяются в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока на входе (y₂₂ и y₁₂) и на выходе (y₂₁ и y₁₁). Это трудно обеспечить на низких частотах и легко – на высоких.

В полевых транзисторах, включенных по схеме с общим истоком, U₁ =U_ЗИ – это напряжение затвор-исток, I₁ =I_З – ток затвора, U₂ =U_СИ  – напряжение сток-исток, ток  I₂ =I_С   – ток стока.

Как было сказано выше, входной ток очень мал и поэтому входная проводимость у₁₁ так же очень мала.

Проводимостью обратной передачи у₁₂ на низких частотах так же можно пренебречь.

Проводимость прямой передачи у₂₁ называется крутизна и для транзистора, включенного по схеме с общим истоком, определяется как

   

Она характеризует управляющее действие затвора и измеряется в [мА/В].  Определяется по характеристикам заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть     .  Подробнее в [4].

Для получения высокой крутизны необходимо иметь канал с малой длиной и большой шириной. Увеличивать толщину канала и уменьшать удельное сопротивление нецелесообразно, так как это ведет к увеличению отрицательного порогового напряжения. Практически, длина канала составляет несколько микрометров, а его ширина может достигать тысячи микрометров.

Выходная проводимость    

параметр характеризует влияние напряжения стока на ток стока. Ее определяют по выходным характеристикам заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть

.

Величина выходной проводимости очень мала и обусловлена изменением длины канала при изменении напряжения стока. Чем короче канал, тем больше относительное изменение его длины при одном и том же приращении DU_СИ следовательно, тем больше проводимость у₂₂. Часто вместо параметра у₂₂ применяют обратную величину R_i = 1/у₂₂.Этот параметр называется внутренним сопротивлением транзистора.

Помимо рассмотренных параметров используют параметр, характеризующий сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока. Этот параметр называется коэффициентом усиления μ. Он равен отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковые по величине и противоположные по знаку приращения тока стока:

.

Знак «минус» в этой формуле учитывает, что положительному приращению dU_СИ увеличивающему ток на величину dI_С  соответствует отрицательное приращение dU_ЗИ уменьшающее ток на ту же самую величину dI_С, благодаря чему обеспечивается постоянство тока I_С.

Параметр μ определяется через параметры S и R_i. следующим образом:

μ=S∙R_i.

Полученное соотношение связывает между собой дифференциальные параметры полевого транзистора.

Так же как и в полевом транзисторе с р-n-переходом, дифференциальными параметрами МДП-транзистора являются крутизна S, внутренняя проводимость  у₂₂, и коэффициент усиления μ. Способ определения их по характеристикам такой же как и для полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом.

Для повышения крутизны надо снижать пороговое напряжение и уменьшать длину канала и толщину подзатворного диэлектрика, а также увеличивать ширину канала. Практически длина канала составляет от 1 до 10 мкм, толщина диэлектрика 0,1 мкм.

Важным параметром при работе полевых транзисторов в усилительном режиме является величина выходной проводимости. Желательно, чтобы она была небольшой.

Проводимость прямой передачи численно равна крутизне. Выбирая ПТ с высокой крутизной в рабочей точке, добиваются больших значений коэффициента усиления по напряжению.