Предельные режимы работы транзисторов

Лекция 7. Предельные режимы работы транзисторов

Параметры предельных режимов. Предельно допустимые режимы работы транзисторов определяются максимально допустимыми напряжениями и тока­ми, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой кор­пуса прибора. Основными причинами, вызывающими выход транзистора из строя или нарушение нормальной работы схемы в результате изменения основных параметров транзисторов, могут быть: слишком высокое обратное напряжение на одном из переходов и перегрев прибора при увеличении тока через переходы.

В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются предельные эксплуатационные параметры:

• максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер t/кэ.накс

ИЛИ СТОК-ИСТОК С/си.макс;

• максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер

^.„.макс ИЛИ СТОК-ИСТОК t/си.и.макс;

• постоянный или импульсный токи коллектора /к.макс и /к.и.макс и такие же значения тока стока полевых транзисторов;

• ПОСТОЯННЫЙ ИЛИ ИМПУЛЬСНЫЙ ТОКИ баЗЫ /5.макс ^и ^.и.макс;

Рекомендуемые материалы

• постоянное или импульсное напряжение на затворе U,^w ^и ^з.и.макс;

• постоянная или импульсная рассеиваемая мощность коллектора P^uaw ^или ^к.и.мако ^или аналогичные мощности, рассеиваемые стоками Рс.шкс ^и •/'с.и.макс;

• предельная температура перехода Тдшкс ^или корпуса прибора Т^жс-Все перечисленные параметры предельных режимов обусловлены развитием одно­го из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по току — токового или теплового, по мощности — вызванного достижением максимальной температуры перехода.

Виды пробоев. Механизмы развития пробоев в транзисторах могут быть раз­личными,

независимо от этого все виды пробоев можно условно разделить на первичные и вторичные. Первичные пробои транзистора отличаются тем, что

Рис 7 1 Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора (а) и полевого транзистора (б) при лавинном пробое

они являются обратимыми Если транзистор попадает в режим первичного про­боя, то его нормальная работа нарушается, однако при выходе из режима пробоя его работоспособность восстанавливается Любой вторичный пробой необратим, так как после него происходит деградация транзистора, обусловленная порчен переходов Основными видами первичных пробоев являются лавинный, тепловой и токовый

Лавинный пробой иногда называют электрическим, так как он возникает при высоком значении напряжения обратно смещенного перехода. Коэффициент ла­винного размножения носителей можно приблизительно оценить по формуле

где </обр — приложенное к переходу обратное напряжение, [/„роб — напряжение лавинного пробоя Когда Ugsp-* U^, коэффициент лавинного размножения не­ограниченно возрастает (М—^оо)

Пробой в транзисторе имеет некоторые особенности, связанные с взаимным влиянием эмиттерного и коллекторного переходов. Пробивное напряжение кол­лектор-эмиттер всегда меньше пробивного напряжения коллекторного перехода Это объясняется влиянием эмиттерного перехода на коллекторный. Ток коллекто­ра транзистора с учетом коэффициента лавинного размножения носителей опреде­ляется формулой

Ток базы транзистора в режиме лавинного пробоя

Если транзистор работает с отключенной базой (или в базе включено боль­шое сопротивление), то 1^0 и, следовательно, ток коллектора примет значение

Из формулы (7.4) следует, что ток коллектора будет неограниченно возрас­тать при приближении произведения М В к единице. В то же время пробой одного коллекторного перехода происходит при условии, что произведение М В—^оо, т е при более высоком напряжении на коллекторе

Это явление объясняется тем, что при отключенной базе внутри транзистора действует положительная обратная связь Заряды, образующиеся в результате ла­винного размножения, скапливаются в базе, увеличивая ее заряд. Это вызывает приток неосновных носителей из эмиттера, которые увеличивают ток коллектора Этот процесс нарастает лавинообразно и называется лавинным пробоем с эмит-терным умножением На величину этой положительной обратной связи можно влиять схемным путем Так, например, если подать на эмиттер транзистора запи­рающее напряжение, то его влияние резко уменьшается и пробивное напряжение увеличивается Такой же эффект можно получить введением в цепь эмиттера со­противления, так как ток эмиттера, проходя по этому сопротивлению, создает напряжение отрицательной обратной связи и уменьшает действие эмиттера на лавинный процесс

В большинстве применений, особенно для мощных транзисторов, рекоменду­ют между базой и эмиттером включать небольшое сопротивление rq. Для опреде­ления напряжения лавинного пробоя в этом случае можно пользоваться формулой

где U — пробивное напряжение при включении между эмиттером и базой сопро­тивления Re, <7кб проб — напряжение лавинного пробоя перехода коллектор — ба^а, rq — сопротивление между базой и эмиттером, R, — сопротивление в цепи эмиттера

Таким образом, в справочных данных транзистора можно найти три различ­ных значения напряжений лавинного пробоя

• напряжение б^эо — напряжение пробоя при отключенной базе (1^=0),

• напряжение l^r > С/кэо — напряжение пробоя при включении между базой и эмиттером сопротивления R^ (при Rэ⁼0),

• напряжение t/кэк — напряжение лавинного пробоя при базе, закороченной с эмиттером (Рб=0) Все эти напряжения лавинного пробоя меньше напряже­ния пробоя перехода коллектор — база U^ „роб, т е [/„g „роб^> ^юк^> ^4эк ^> ^кэо На рис 7 2 показаны вольт-амперные характеристики транзистора в режиме лавинного пробоя при различных условиях в его базе Отсюда видно, что при использовании транзистора при напряжениях, близких к пробою, можно суще­ственно влиять на напряжение пробоя схемным путем

Рис. 7.2. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в режиме лавинного пробоя при различных сопротивлениях в его базе

Тепловой пробой транзистора возникает вследствие лавинообразного нараста­ния температуры ^-и-перехода. С ростом температуры перехода возрастают токи утечки и полупроводник переходит в проводящее состояние, а р-п-переход исчеза­ет. Такое явление называют переходом кристаллов в состояние собственной про­водимости.

В реальных условиях это явление не всегда ограничивает рост температу­ры, так как уже при более низких температурах может наблюдаться резкая зависимость от температуры одного или нескольких из основных параметров, например, коэффициента передачи тока или предельного рабочего напряже­ния.

Рассеяние мощности транзистором имеет место при любом режиме работы, однако оно максимально, когда транзистор находится во включенном состоянии или выключается. При высокой частоте коммутации потери растут пропорцио­нально частоте. С увеличением потребляемой мощности растет и температура транзистора.

Для оценки теплового режима транзистора используют понятие теплового сопротивления, под которым понимают сопротивление элементов транзистора распространению теплового потока от коллекторного перехода к корпусу или в окружающую среду. Тепловое сопротивление между переходом и корпусом опре­деляют как отношение разности температур перехода Гц и корпуса 7^ к мощности J'„o„ потребляемой транзистором. Таким образом, тепловое сопротивление опре­деляется как перепад температуры на единицу греющей мощности:

Аналогично, тепловое сопротивление переход-среда определяется как отноше­ние разности температур перехода Гд и окружающей среды 7с к мощности потерь рпот в транзисторе:

Если в транзисторе протекает импульсный ток, то тепловое сопротивление будет зависеть от времени. В этом случае оно называется переходным и зависит от формы импульсов тока и момента времени, в который оно определяется.

В справочных данных на транзисторы обычно приводятся:

• тепловое сопротивление переход-корпус (или переход-среда) R^ „ к,

• предельно допустимая температура перехода Тпнакс;

• предельная средняя (или импульсная) мощность потерь в транзисторе .Рлотм-чсс;

• предельно допустимая температура корпуса прибора Ткмакс-Температуру корпуса транзистора можно измерять непосредственно. Для это­го на мощных приборах может быть указана точка, в которой следует произво­дить это измерение. Непосредственно измерить температуру перехода транзистора в процессе эксплуатации практически невозможно. В связи с этим используют косвенные методы, основанные на температурной зависимости какого-либо пара­метра. Такие методы обычно не дают возможности определить температуру в наиболее горячих точках структуры, которые возникают из-за разброса электро­физических свойств кристалла или дефектов конструкции Для определения усред­ненной температуры перехода используют тепловое сопротивление. Эффективная температура перехода в установившемся режиме может быть определена по фор­мулам

С другой стороны, располагая сведениями о максимально допустимой темпе­ратуре перехода Гц „ако можно определить допустимую мощность потерь в транзи­сторе

где Гпщке^ОС^С для кремния и 150°С — для германия.

Из формулы (7.9) следует, что при температуре среды, равной Т^Т^^ш» транзистор использовать практически невозможно, так как допустимая мощность потерь в нем равна нулю. Поскольку мощность, потребляемая транзистором, в основном расходуется на коллекторном переходе, то

что определяет гиперболу максимальной потребляемой мощности, график кото­рой приведен на рис. 7.3.

Рис 7 3 Построение гиперболы максимальной потребляемой мощности

Поскольку при постоянных значениях 7с и R^ „ с потребляемая транзистором мощность однозначно определяет температуру перехода, то гипербола максималь­ной потребляемой мощности является границей развития теплового пробоя.

Токовыи пробои транзистора возникает при достижении током максимально допустимого значения. Теоретическое значение максимального тока коллектора определяется равенством общего подвижного заряда в области коллектор-эмиттер и общего постоянного пространственного заряда, определяемого по формуле

где Ск — емкость коллектор-база (пропорциональная площади коллекторного перехода), E^WBIcM — пробивная напряженность поля, Р^б-К^см/с — ско­рость насыщения дрейфа носителей заряда

На практике это значение тока никогда не достигается и обычно значение Is. макс определяется возможностью повреждения соединений (перегоранием провод­ников) внутри транзистора. Значение максимального допустимого тока /к макс обычно указывается в справочных данных транзистора

В ряде случаев максимально допустимый ток транзистора определяется по снижению коэффициента передачи тока ниже определенного значения. Если токо-вый пробой не связан с перегоранием соединительных проводников, то он являет­ся обратимым.

Вторичный пробой транзистора возникает или после развития одного из ви­дов первичного пробоя, или непосредственно, минуя развитие первичного пробоя. Непосредственное развитие вторичного пробоя происходит обычно в области

Рис 7 3 Построение гиперболы максимальной потребляемой мощности

Поскольку при постоянных значениях 7с и R^ „ с потребляемая транзистором мощность однозначно определяет температуру перехода, то гипербола максималь­ной потребляемой мощности является границей развития теплового пробоя.

Токовыи пробои транзистора возникает при достижении током максимально допустимого значения. Теоретическое значение максимального тока коллектора определяется равенством общего подвижного заряда в области коллектор-эмиттер и общего постоянного пространственного заряда, определяемого по формуле

где Ск — емкость коллектор-база (пропорциональная площади коллекторного перехода), E^WBIcM — пробивная напряженность поля, Р^б-К^см/с — ско­рость насыщения дрейфа носителей заряда

На практике это значение тока никогда не достигается и обычно значение Is. макс определяется возможностью повреждения соединений (перегоранием провод­ников) внутри транзистора. Значение максимального допустимого тока /к макс обычно указывается в справочных данных транзистора

В ряде случаев максимально допустимый ток транзистора определяется по снижению коэффициента передачи тока ниже определенного значения. Если токо-вый пробой не связан с перегоранием соединительных проводников, то он являет­ся обратимым.

Вторичный пробой транзистора возникает или после развития одного из ви­дов первичного пробоя, или непосредственно, минуя развитие первичного пробоя. Непосредственное развитие вторичного пробоя происходит обычно в областисравнительно высоких напряжений на коллекторе и связано с развитием так назы­ваемого «токового шнура». При этом коллекторный ток концентрируется в очень малой области коллектора, которая проплавляется и замыкает коллектор с базой. Вторичный пробой происходит при значениях тока и напряжения, меньших гипер­болы максимальной мощности (рис 7.3)

Если транзистор работает в усилительном режиме, то развитие вторично­го пробоя и возникновение токового шнура связано с потерей термической устойчивости, при которой увеличение тока в каком-либо месте структуры приводит к повышению ее температуры, а повышение температуры увеличи­вает ток Этот процесс нарастает лавинообразно и приводит к проплавлению структуры

Электрический и тепловой механизмы развития вторичного пробоя являются не единственными В реальных транзисторах концентрация тока и развитие вто­ричного пробоя могут быть результатом наличия дефектов в кристалле, плохого качества пайки и др Но какова бы ни была причина развития вторичного про­боя, результатом его является шнурование тока и локальный перегрев с проплав-лением кристалла

Для развития вторичного пробоя требуется определенное время, которое может составлять 1 ЮОмкс. Это время называют временем задержки развития вторичного пробоя Если время нахождения транзистора в опасном режиме мень­ше времени развития вторичного пробоя, то вторичный пробой не возникает. Поэтому при коротких длительностях импульсов тока в транзисторе вторичный пробой может и не развиться. Исследования показали, что при развитии вторич­ного пробоя (во время задержки) в цепи базы могут возникать автоколебания сравнительно высокой частоты, которые могут быть использованы для предсказа­ния опасною значения тока и защиты транзистора.

На рис 7 4 показаны вольт-амперные характеристики транзистора при разви­

тии вторичного пробоя из различ­ных областей из области усили­тельною режима (а), области пас­сивного запирания (б) и области активного запирания (при обрат­ном смещении эмиттерного пере­хода) (в) Во всех трех случаях при развитии вторичного пробоя происходит резкое увеличение тока коллектора и снижение на­пряжения на коллекторе, связан­ное с проплавлением коллектор­ного перехода

Вторичный пробой отсутству­ет в полевых транзисторах Так, например, для полевых транзисто­ров с управляющим /7-й-переходом с увеличением температуры ток

Рис 7 4 Графики развития вторично! о пробоя из области усилительного режима (а), области пассивного запирания (б), и области активного запирания (в)

Рис 7 5 Температурная зависимость тока стока полевого транзистора с р-п-переходом

стока уменьшается, как показано на рис. 7 5 Таким образом, разогрев структу­ры при протекании тока стока приведет к его снижению, а не к увеличению, как в биполярном транзисторе Последнее гово­рит об отсутствии положительной тепло­вой обратной связи и невозможности само­разогрева полевого транзистора

Область безопасной работы транзистора определяет границы интервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в ко­ординатах /к (U^) Различают статическую и импульсную ОБР Статическая ОБР (рис. 7 6 я) ограничивается участками то-

кового пробоя (1), теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного про­боя (4). При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки имеют вид прямых линий.

Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током коллектора Iv. и макс ^и максимальным импульсным напряжением пробоя С/кэимакс- При малых

Рис 76 Области безопасной рабогы биполярного транзистора в статистическом режиме (л) и импульсном режиме (б) при различных длительностях импульсов тока коллекюра

длительностях импульсов на ней могут отсутствовать участки, обусловленные тепловым пробоем При длительности импульса менее 1 мкс импульсная ОБР име­ет только две границы /к и макс и Гришке- При увеличении длительности импульса появляются участки, ограничивающие ОБР за счет развития вторичного пробоя (3) и теплового пробоя (2)

Границы областей безопасной работы транзистора зависят от температуры его корпуса С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются влево Границы ОБР, обуслов­ленные лавинным или вторичным пробоем, практически от температуры не за­висят

Защита транзисторов от пробоя. При использовании транзистора необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБР без выхода за ее пределы Даже кратковременный выход рабочей точки за пределы соответствующей ОБР влечет за собой попадание транзистора в область пробоя С целью защиты тран­зистора от возможного пробоя обычно формируют траекторию его переключения при работе в ключевом режиме Для этого к транзистору подключают дополни­тельные цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны Парамет­ры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным путем Неко­торые из таких схем приведены на рис 7 7

!     Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке транзистора, j состоит из последовательно соединенных элементов R и С, как показано на j рис 7 7 а Эта цепь работает следующим образом При запирании транзистора

(с индуктивной нагрузкой ток в индуктивности, не меняя своего значения и направ­ления, поступает в 7?С-цепь и заряжает конденсатор С При этом часть энергии запасенной в индуктивности, будет израсходована в резисторе Л. Благодаря этому

Рис 77 Защита транзистора от лавинного пробоя при помощи ДС-цепи (а), шунтирующего диода (б) и стабилитрона (в) исключается импульс большой амплитуды на коллекторе транзистора, который вывел бы рабочую точку за пределы ОБР. Элементы такой цепи рассчитываются по формулам:

где um — разность между напряжением источника питания Е^ и максимально допу­стимым напряжением коллектор-эмиттер, определяемым по соответствующей ОБР

Вместо 7?С-цепи можно использовать диодно-резистивную цепь, представлен­ную на рис 7.76. В этой схеме при запирании транзистора отпирается диод D, и через него проходит ток индуктивной нагрузки. Для снижения амплитуды им­пульса тока в диоде последовательно с ним иногда включается сопротивление R Перепад напряжения на транзисторе равен прямому падению напряжения на дио­де, т. е. практически отсутствует.

Для ограничения выброса напряжения на коллекторе транзистора при его запирании можно использовать ограничитель на стабилитроне D, как показано на рис. 7.7 в. Все рассмотренные цепи ограничивают предельное напряжение на транзисторе и тем самым предохраняют транзистор от попадания в режим лавин­ного пробоя.

Для защиты транзистора от перегрева и связанного с этим теплового пробоя применяют охладители, к которым крепится корпус транзистора. Применение

7 Расцвет Афинской демократии - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

охладителей позволяет уменьшить   перегрев транзистора.

Наиболее сложной проблемой является за­щита транзисторов от вторичного пробоя. При развитии вторичного пробоя транзистор теряет управление по базе, и даже подавая на базу об­ратное смещение, запереть его нельзя. Един­ственным способом защиты транзистора в этом случае является распознавание развития вто­ричного пробоя во время задержки и шунтиро-вание выводов коллектор-эмиттер транзистора с помощью быстродействующего тиристора.

Упрощенная схема защиты транзистора от вторичного пробоя приведена на рис 7.8. Схема содержит устройство управления тиристором D защиты, который шунтирует транзистор Т при появлении в его базе колебаний, предшесгвую-ших развитию вторичного пробоя

Рис 7 8 Защита транзистора от вторичного пробоя

Раздел 2 АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ