Температурні і частотні характеристики транзисторів

Діапазон робочих температур транзисторів, що визначається властивостями р-п переходів, такий же, як і у напівпровідникових діодів. Особливо сильно на роботу транзисторів впливає нагрів і менш істотно - охолоджування (до - 60°С). Дослідження показують, що при нагріві від 20 до 60° З параметри площинних транзисторів змінюються таким чином: r_к падає приблизно удвічі, r_б - на 15-20%, а r_е зростає на 15-20%. Уявлення про вплив нагріву на h- параметри дають графіки мал. 7.17, а, побудовані для малопотужного площинного транзистора, включеного по схемі із загальною базою. Окрім зміни значення основних параметрів транзистора, нагрів викликає зсув вихідних характеристик і зміна їх нахилу (мал. 7.17, б), що також порушує нормальну роботу приладу.

Мал. 7.17. Вплив температури на h-параметри малопотужного площинного транзистора (а) і форму його вихідних характеристик (б)

Особливо істотний вплив на роботу транзистора при нагріві надає струм I_кбо. Наближене значення струму при нагріві можна визначити з рівності

де I_кбоt, - величина I_кбо при підвищеній температурі; I_кБон - величина I_кбо при нормальній температурі (20 °С); Δ - різниця температур при нагріві транзистора.

Для практичних розрахунків можна прийняти, що при підвищенні температури на кожні 10°С струму I_кбо зростає приблизно удвічі.

Нестабільність режиму транзистора, обумовлена струмом I_кбо дуже істотна, оскільки зворотний струм колектора в значній мірі впливає на струми емітера і колектора, а, отже, на підсилювальні властивості транзистора.

Найчастіше для роботи при підвищених температурах застосовуються кремнієві транзистори. Гранична робоча температура у цих приладів складає 125...150°С. З цією ж метою використовується і ряд нових напівпровідникових матеріалів, з яких особливий інтерес представляє карбід кремнію. Прилади, виготовлені на карбіді кремнію, зможуть нормально працювати до температур 500...600°С.

На частотні властивості транзисторів більший вплив роблять ємності р-п переходів. Із збільшенням частоти опір ємності зменшується і шунтуюча дія ємностей зростає. Тому Т-образна еквівалентна схема транзистора на високих частотах, окрім чисто активних опорів r_е, r_б і r_к, містить ємності С_е і С_к, що шунтують емітерний і колекторний переходи. Особливо шкідливий вплив на роботу транзистора надає ємність С_к оскільки на високих частотах опір ємності 1/ω₀С_К виявляється значно менше, ніж опір r_к, і колекторний перехід втрачає свої основні властивості. В даному випадку вплив ємності С_к аналогічно впливу ємності, що шунтує р-п перехід в площинному напівпровідниковому діоді.

Другою причиною погіршення роботи транзистора на високих частотах є відставання по фазі змінного струму колектора від змінного струму емітера. Це обумовлено інерційністю процесу проходження носіїв заряду через базу від емітерного переходу до колекторного, а також інерційністю процесів накопичення і всмоктування зарядів в базі.

Час прольоту носіїв через базу τ_пр у звичайних транзисторів складає приблизно 0,1 мкс. Звичайно, це час дуже мало, але на частотах порядку одиниць - десятків мегагерц стає помітним деяке зрушення фаз між змінними складовими струмів І_е і Ік. Це приводить до збільшення змінного струму бази і, як наслідок, до зниження коефіцієнта посилення по струму.

Цеявище ілюструється векторними діаграмами, приведеними на мал. 7.18. Перша з них відповідає низькій частоті, на якій всі струми практично співпадають по фазі, а коефіцієнт ρ має найбільшу величину.

Мал. 7.IS. Векторні діаграми струмів транзистора на різних частотах фаз ф між цими струмами.

Оцінюючи частотні властивості транзистора, слід враховувати також, що дифузія процес хаотичний. Неосновні носії зарядів, інжектовані емітером в базу, пересуваються в ньому різними шляхами. Тому носії, бази, що одночасно увійшли до області, досягають колекторного переходу в різний час. Таким чином, закон зміни струму колектора може не відповідати закону зміни струму емітера, що приводить до спотворення підсилюваного сигналу.

Необхідно відзначити, що із збільшенням частоти коефіцієнт ρ зменшується значно сильніше, ніж α. Коефіцієнт α знижується лише унаслідок впливу ємності Ск, а на величину ρ впливає, окрім цього, ще і зрушення фаз між Ік і Іе. Отже, схема із загальною базою має кращі частотні властивості, чим схема із загальним емітером.

Для визначення коефіцієнтів посилення потоку на частоті f можуть бути використані формули:

Для розширення частотного діапазону транзисторів необхідно збільшувати швидкість переміщення неосновних носіїв зарядів через базу, зменшувати товщину шару бази і колекторну ємність. При виконанні цих умов транзистори (наприклад, дрейфові) можуть успішно працювати на частотах близько десятків і сотень мегагерц.