Зависимость коэффициента усиления от температуры

Температурная зависимость коэффициента усиления определяется следующими причинами.

1. Различными ширинами запрещенных зон эмиттера и базы, а следовательно, разными энергиями активации токов прямой и обратной инжекции.

2. Разной энергией активации тока рекомбинации в ОПЗ эмиттера и диффузионного тока прямой инжекции.

3. Зависимостью подвижности и времени жизни носителей заряда от температуры.

4. Усилением неравномерности плотности тока эмиттера и эффектов БУИ за счет увеличения паразитных сопротивлений  и .

Для кремниевых транзисторов с уровнем легирования  ширина запрещенной зоны эмиттера становится меньше, чем в базе (7.19).

В силу этого эффективность эмиттера экспоненциально возрастает с температурой на всех уровнях инжекции(7.18),

                          ~  .

Причиной увеличения эффективности является разная энергия активации тока прямой инжекции () и тока обратной инжекции () (рисунок 7.24).

На малых уровнях инжекции основной вклад в ток базы дает ток рекомбинации в ОПЗ эмиттера (7.45)     

                   ~ .                                    (7.48)

При  довольно  частом  случае  для  кремниевых  транзисторов   m = 1,6, ~ , что вызывает более сильный рост В  на МУИ с температурой, чем . Однако с ростом тока коллектора вклад этого механизма в увеличение В (Т) ослабляется.

С увеличением температуры возрастает время жизни носителей заряда в базе, но одновременно снижается подвижность, которая определяется механизмом рассеяния на фононах или колебаниях атомов решетки кристалла (рисунок 7.25) , где для кремния  изменяется от 2,6 для электронов (p-n-p) и 2,3 для дырок (n-p-n) при < 10¹⁵ см^–3 до 1,2 и меньше при > 10¹⁷ см^–3. Поэтому диффузионная длина с ростом температуры может возрастать, что приведёт к увеличению коэффициента переноса  (доминирует увеличение времени жизни), либо уменьшается (доминирует уменьшение подвижности или коэффициента диффузии ).

С ростом температуры эффекты больших уровней инжекции сдвигаются (германиевые, кремниевые транзисторы) в сторону меньших значений токов коллектора. Это обусловлено усилением неоднородности токораспределения эмиттера из-за увеличения сопротивления , .

Кроме того с ростом температуры уменьшается значение критических плотностей тока эффективности  (7.24), Кирка (7.30), (7.31) и эффекта квазинасыщения (7.36) из-за увеличения удельного сопротивления тела коллектора, что ведет к уменьшению В (Т) на больших токах коллектора.

Таким образом, на МУИ и СУИ коэффициент усиления увеличивается с ростом температуры, а на БУИ – уменьшается (рисунок 7.26).

Рисунок 7.26 - Зависимость В (I_C) при различных температурах (а) и температурной

чувствительности  от тока коллектора кремниевых транзисторов (б)

Для повышения термостабильности коэффициента усиления кремниевых транзисторов необходимо умеренно легировать эмиттер ( < 2∙10¹⁹ см^–3) для нейтрализации эффекта сужения ширины запрещенной зоны эмиттера, использовать структуру с диффузионным или с дрейфовым переносим носителей заряда в базе в зависимости от температурной чувствительности времени жизни. Если время жизни слабо зависит от температуры, то предпочтительней структура бездрейфового транзистора с однородно легированной базой с относительно высокой концентрацией примесей в ней, обеспечивающей слабую температурную зависимость коэффициента диффузии  . На малых уровнях инжекции необходимо снизить температурную чувствительность  (7.48), т.е. в ОПЗ эмиттера должны доминировать глубокие рекомбинационные центры (), при которых m = 2. Как правило, кремниевые термостабильные транзисторы имеют небольшой коэффициент усиления по току (В < 30).

В гетерогенных транзисторах с широкозонным эмиттером с увеличением температуры коэффициент усиления уменьшается в отличие от гомогенных. Такое поведение обусловлено меньшей энергией активации тока прямой инжекции по сравнению с током обратной инжекции, 

~ .

Эта сильная температурная зависимость компенсируется ростом   с увеличением температуры. В гетерогенных транзисторах в плоскости гетероперехода существует высокая концентрация рекомбинационных центров, поэтому влияние тока рекомбинации в ОПЗ эмиттера проявляется на средних и больших уровнях инжекции. В этом случае температурная зависимость коэффициента усиления и его значение существенно зависит от технологии получения гетероперехода.