3.6. Влияние температуры на работу биполярного транзистора

Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэффициентов передачи токов с ростом температуры. Уменьшение потенциального барьера  _К с ростом температуры также, как и в изолированном переходе, (см. раздел 2) приводит к усилению инжекции, в результате чего увеличивается входной ток транзистора. На рис. 3.24 приведены входные характеристики транзистора в схеме с общей базой, полученные при различных температурах (заметим, что входные характеристики в схеме ОЭ при различных температурах выглядят аналогично и отличаются лишь масштабом по оси токов так как i_К >>i_Б. Как видно из рисунка 3.24, увеличение входного тока с ростом температуры эквивалентно смещению характеристики в сторону меньших входных напряжений. Это смещение описывается температурным коэффициентом напряжения , который составляет для кремниевых транзисторов = - 3 мВ/град. В расчетах транзисторных схем часто используют кусочно-линейную аппроксимацию входных характеристик. На рис. 3.24,б приведены идеализированные аппроксимированные характеристики без учета влияния сопротивления тела базы r_Б. Как видно из рисунка при r_Б =0 характеристики проходят вертикально и напряжение на переходе равно пороговому  - u_ЭБ = U*. Изменение этого напряжения с температурой также описывается коэффициентом  .

Увеличение тепловых токов переходов с ростом температуры, подробно рассмотренное в разделе 2, описывается приводимыми в справочниках температурными зависимостями токов I_КБ0, I_ЭБ0. Типовые зависимости токов I_КБ0 и I_ЭБ0 от температуры для кремниевого маломощного транзистора приведены на рис. 3.25.

Использование логарифмического масштаба по оси ординат позволило представить экспоненциальную зависимость токов от температуры в линейном виде. Как видно из рисунка, в рабочем интервале температур транзистора (-60  ...+ 80  C) токи I_КБ0 и I_ЭБ0 могут изменяться на 1...2 порядка. Следует заметить, что отмеченный рост тепловых токов заметно сказывается на выходных характеристиках лишь германиевых транзисторов, что связано с относительно большой величиной самих тепловых токов. В кремниевых транзисторах тепловые токи очень малы, поэтому их изменение с температурой не оказывает заметного влияния на характеристики. Увеличение коэффициента передачи тока эмиттера  и тока базы  с ростом температуры обусловлено ростом времени жизни электронов в базе (см. раздел 1) и соответствующим ослаблением их рекомбинации с дырками. На рис. 3.26 приведены типичные температурные зависимости коэффициентов  и  , нормированных к значениям, полученным при комнатной температуре ( t =20  C). Из рисунка видно, что если изменение  с температурой выражено очень слабо (в рабочем интервале температур оно не превышает нескольких процентов), то изменение  может достигать нескольких сотен процентов.

Сказанное выше иллюстрируют приведенные на рис. 3.27 выходные характеристики транзистора в схемах ОБ и ОЭ, полученные при различных температурах. Как видно из рисунка, увеличение температуры приводит к смещению (дрейфу) характеристик в сторону более высоких токов коллектора. При этом в схеме ОБ при фиксированном токе эмиттера  i_К=   i_Э температурный дрейф характеристик выражен довольно слабо, что объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента передачи тока эмиттера  - см. рис 3.26. У характеристик для схемы ОЭ, снимаемых при i_Б =const, в связи с сильной температурной зависимостью коэффициента передачи тока базы  температурный дрейф очень велик - изменение тока коллектора  i_К=   i_Б может достигать несколько десятков и даже сотен процентов. Температурная нестабильность характеристик транзистора в схеме ОЭ требует специальных мер по стабилизации рабочей точки. На рис. 3.27 приведены три типовые схемы задания режима работы транзистора по постоянному току. В схеме, приведенной на рис 3.27,а внешние элементы задают ток базы

.

Отсюда можно записать выражение для расчета коллекторного тока:

. (3.39)

Оценим изменение тока I_К при изменении температуры на 20  С. Будем полагать E_К=10 В, R_Б=100 кОм,  (20  С)=100, U*(20  С)=0.7В и I_КЭ0(20  С)=5мкА, откуда I_К(20  С )=100 · 10/10 ⁵-100 · 0.7/10 ⁵+5 · 10 ^-6= =9.305 мА. Будем также считать, что изменение  при изменении температуры на 20  С составляет 50%, изменение U* определяется коэффициентом  = -2 мВ/град , изменение I_КЭ0 определяется температурой его удвоения T* = 5  С. Тогда несложно определить значения  , U* и I_КЭ0 при t  =40  С:  (40  С) =1,5 ·100=150, U*(40  С)=0,7-20 ·2 ·10 ^-3=0,66 В и I_КЭ0( 40  С)=2 ⁴ ·5 ·10 ^-6=160 мкА. Тогда ток I_К ( 40  С)=150·10/10 ⁵-150 ·0,66/10 ⁵+160·10 ^-6=14,17 мА, то есть ток I_К изменился на 52,3 % и основной вклад в это изменение внес коэффициент передачи тока базы  . Расчет показывает, что эта схема обладает низкой температурной стабильностью. В схеме, приведенной на рис. 3.28,б, внешние элементы задают ток эмиттера

и.

Таким образом, в этой схеме обеспечивается высокая температурная стабильность (как в схеме ОБ), правда достигается она за счет использования дополнительного источника питания. Следует заметить, что указанная схема представляет собой по переменному току - схему ОЭ, а по постоянному току - схему ОБ. Третья схема (см. рис. 3.28,в) занимает промежуточное по термостабильности положение между двумя первыми схемами. В этой схеме фиксируется напряжение u_БЭ и при рациональном выборе R_Б1,R_Б2 и R_Э температурная стабильность всего в 2 - 3 раза хуже, чем во второй схеме.