Предельные режимы работы биполярного транзистора

 

Под предельными режимами понимают совокупность напряжений и токов в транзисторе, длительности их воздействия и температуру окружающей среды, превышение которых приводит к недопустимому снижению характеристик транзистора, либо выхода его из строя.

Рассмотрим ограничения по температуре кристалла. При работе транзистора в схемах усилителей наибольшая мощность выделяется в коллекторном переходе. Поэтому критическим параметром является температура коллекторного p-n-перехода. Предельной верхней температурой считается температура, при которой примесная проводимость становится равной собственной. При дальнейшем повышении температуры исчезает p-n-переход (исчезает преобладание примесной проводимости). Для кремниевых переходов критическая температура кристалла 150 ¸ 200 ^оС, германиевых – 70 ¸ 100 ^оС, арсенидгаллиевых - 250 ^оС, фосфидгаллиевых - 500 ^оС.

Теоретически нижний предел по температуре ограничен вымораживанием примеси при -200 ^оС. Электроны переходят на донорные уровни, а электроны с акцепторных уровней преходят в валентную зону. Практически нижний предел равен -60 - (-70) ^оС. При меньшей температуре из-за различия коэффициентов термического расширения кристалла и кристаллодержателя транзистора происходит разрушение кристалла.

Ограничения по электрическому режиму работы транзистора определяются диаграммой области безопасной работы (рис…). Она различна для непрерывного и импульсного режимов работы транзистора.

В непрерывном режиме участок 1 ограничивает значение тока коллектора. Ток ограничивается либо недопустимым снижением коэффициента передачи, либо разрушением контакта ввода металла и полупроводника. В импульсном режиме может быть в 1,5 - 2 раза больше.

Участок 2 ограничивает область безопасной работы по мощности, выделяемой в транзисторе

 

P_max = (T_{p-n пред}.- Т_корп)/R_t,

 

где R_t - тепловое сопротивление кристалл-корпус транзистора. При превышении P_max коллекторный p-n-переход нагревается выше предельно допустимой температуры. Предельно допустимую мощность можно многократно увеличить, если улучшить теплоотвод от транзистора, например, закрепив транзистор на радиаторе. Применение радиатора позволяет снизить температуру корпуса транзистора, что позволяет, не превышая предельной температуры p-n-перехода, выделять в кристалле большую мощность.

Участок 3 ограничивает электрический режим тепловым пробоем.

Участок 4 ограничивает электрический режим электрическим пробоем коллекторного перехода. Если ток электрического пробоя не ограничен, происходит тепловой пробой и разрушение транзистора.

Напряжение пробоя зависит от схемы включения транзистора. Наибольшее напряжение пробоя имеет место, когда I_э = 0 (вывод эмиттера отсоединён от внешней цепи). В этом случае напряжение пробоя транзистора определяется напряжением пробоя изолированного коллекторного перехода. Наименьшее значение пробоя коллекторного перехода имеет место при I_б = 0 (вывод базы отсоединён от внешней цепи). При I_б = 0 пробой происходит за счёт накопления в базе экстрагированных из коллектора электронов. Накопление заряда в базе приводит к увеличению токов эмиттера и коллектора. Это увеличивает начальный ток лавины в коллекторном переходе. Поэтому увеличивается поступления электронов в базу. Таким образом замыкается положительная обратная связь, которая может привести к неограниченному нарастанию тока коллектора. При напряжениях коллектор-эмиттер, когда скорость поступления электронов в базу равна скорости их ухода за счёт рекомбинации и инжекции электронов в эмиттер, пробоя не происходит. С ростом напряжения на коллекторе скорость поступления начинает превышать скорость ухода, происходит накопление заряда в базе. Пробой происходит при напряжении меньшем, чем напряжение пробоя изолированного коллекторного перехода. При включении резистора между базой и эмиттером появляется дополнительный канал ухода электронов из базы. Поэтому напряжение пробоя повышается по сравнению со случаем отсоединённого вывода базы, но остаётся меньшим напряжения пробоя изолированного коллекторного перехода. В справочниках по транзисторам максимальное напряжение коллектор-база приводят при определённом сопротивлении резистора, включаемого между базой и эмиттером. Напряжение пробоя в этом случае находится в промежутке между напряжением пробоя при отсоединённом эмиттере и напряжением пробоя при отсоединённом выводе базы.

Для высокочастотных транзисторов, имеющих базу шириной меньше микрона, возможен прокол транзистора, когда ОПЗ коллекторного перехода с ростом коллекторного напряжения достигает эмиттерного перехода. Коллекторное напряжение смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При этом токи эмиттера и коллектора экспоненциально нарастают с увеличением напряжения коллектор-база. Мощность, выделяемая в транзисторе, увеличивается. Если ток коллектора не ограничивается сопротивлением внешней цепи, то происходит разрушение транзистора.