Elektronikawzad42

W Ciaźyński - ELEKTRONIKA W ZADANIACH

0<6ć 2: Annliu wpływu miutn temperatury no pnwę uklndów półprzewodnikowych

Dla diod półprzewodnikowych (lub złącz pn) spolaryzowanych w kierunku przewodzenia zakładamy, że spadek napięcia na diodzie zmienia się proporcjonalnie do zmian temperatury. Na rysunku W2.1 pokazano kilka różnych aproksymacji charakterystyki diody dla dwu temperatur. Jak wynika z tych rysunków spadek napięcia na przewodzącej diodzie maleje ze wzrostem temperatury, przy czym zależność jest dla przyrostów liniowa:

AUn- C-AT

(W2.3)

gdzie współczynnik proporcjonalności £ (wyrażany w mV / K) jest ujemny, a jego wartość bezwzględna zależy od materiału półprzewodnikowego. Dla złącz krzemowych przyjmuje się najczęściej £ = - (2,3 -r 2,5) mV / K.

i

Rys. W2.1. Przesunięcie charakterystyki diody dla T| > To

Prąd nasycenia diody półprzewodnikowej spolaryzowanej w kierunku zaporowym (prąd nośników mniejszościowych Z,) w rozpatrywanym zakresie temperatur rośnie wykładniczo ze wzrostem temperatur)'. W zadaniach będziemy najczęściej operować tzw. temperaturą podwojenia T^p prądu wstecznego, której przyjęcie pozwala na zapisanie wspomnianej wykładniczej zależności w postaci:

(W2.4)

/.(n-/,or₀)-2^j

Ze wzoru wynika, żc jeśli temperatura T jest wyższa od temperatury początkowej TqO wartość T'\ to wykładnik potęgowy we wzorze (W2.4) ma w-artość 1, a zatem I_S(T₀ + T^r) = 2 -I,(To) co tłumaczy określenie parametru T^p jako temperatury podwojenia. Dla diod germanowych przyjmuje się najczęściej w prezentowanych zadaniach T^p= 10 K. a dla diod krzemowych T¹’= 7 -r 8 K.

Tak więc prąd nasycenia złącza spolaryzowanego zaporowo wykonanego w¹ krzemie podwaja się przy wnoście temperatury o każde 7 K. a wykonanego w germanie prz.y wzroście o każde I0K. Na tej podstawie można byłoby wyrobić sobie pogląd, że przyrządy germanowa mogą pracować w wyższych temperaturach, gdyż prądy zerowe rosną w nich wolniej niż w krzemowych. Byłby to pogląd całkowicie błędny, gdyż w złączu krzemowym prąd nasycenia /, co prawda rośnie szybciej ze zmianą temperatury, ale w temperaturze 300 K jest o kilka rzędów mniejszy niż w złączu germanowym. Prąd nasycenia jest prądem nośników mniejszościowych, a tych w danej temperaturze jest w krzemie (jako materiale o większej szerokości strefy zabronionych energii) znacznie mniej niż w germanie.

Dla krzemowych diod stabilizacyjnych zakładamy, żc:

•    spadek napięcia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia Uf zmniejsza się (od ok. 750 -r 800 mV przy 300 K) podobnie jak dla każdej innej diody krzemowej o ok. 2,5 mV na 1 K przyrostu temperatury;

•    wartość i znak przyrostu napięcia przebicia (przy polaryzacji diody w kierunku zaporowym) odpowiadającego wzrostowa temperatury są zależne od wartości Uz tego napięcia.

Współczynnik zmian napięcia przebicia jest tutaj podawany w wartościach bezwzględnych jako e= AUz/AT (czyli w mV / K) lub jako odniesiony do wartości napięcia Uz współczynnik względny:

(W2.5)

i przyjmuje wartości ujemne dla diod o napięciu przebicia Uz < 6 V lub dodatnie dla diod o napięciu Uz> 8V. Dla diod o napięciu przebicia w zakresie Uz= 6 + 8V współczynnik przyjmuje mniejsze wartości, lub nawet w tym zakresie napięć może nastąpić zerowanie się współczynnika. Wynika to z faktu, że w diodach stabilizacyjnych w obszarze napięć przebicia przebiegają dwa procesy:

1.    powielanie lawinowe polegające na tym, że przechodzący przez obszar złącza elektron dysponuje przy natężeniach pola elektrycznego rzędu E= I0^S V/m (a takie natężenia występują przy gęstościach domieszkowania prowadzących do uzyskania napięć przebicia Uz> 8 V) energią wystarczającą do wybicia przy zderzeniach z atomami półprzewodnika jednego lub kilku dalszych elektronów;

2.    przebicie Zcncra, polegające na generowaniu par dziura-clektron na drodze rozrywania wiązań elektronowych w polu elektrycznym o jeszcze większym natężeniu pola elektrycznego w zakresie £ = 10⁶ V / m występującym przy jeszcze większych gęstościach domieszkowania prowadzących do przebicia złącza już przy napięciach Uz< 6 V.

Rys. W2.2. Orientacyjny przebieg charakterystyk trzech przykładowych diod stabilizacyjnych (Zcnera)

dla dwu temperatur

Obydwa wspomniane zjawiska mają współczynniki temperaturowe przeciwnego znaku (dodatni współczynnik dla powielania lawinowego, a ujemny dla przebicia Zenera). Ponieważ w zakresie napięć przebicia U z = 6 8 V zjawiska te zachodzą równocześnie, następuje w tym zakresie napięć częściowa lub nawet (dla pewnego zakresu wartości prądu przebicia płynącego przez złącze) pełna kompensacja wpływu zmian temperatury. Dla diod w tym zakresie napięć przebicia uzyskuje się także najmniejsze wartości rezystancji dynamicznej, co także pokazano poglądowo na rysunku W2.2, gdzie przykładowa dioda o napięciu przebicia 6,8 V cechuje się zarówno najmniejszym przyrostem temperaturowym napięcia jak i najmniejszą rezystancją dynamiczną (jej charakterystyka jest bardziej stroma od pozostałych).

Dla tranzystorów bipolarnych znajdujących się w stanie aktywnym wpływ temperatury uwidacznia się najsilniej poprzez:

• proporcjonalną do zmiany temperatury zmianę spadku napięcia Ube na złączu baza emiter spolaryzowanym w kierunku przewodzenia . Mają tutaj zastosowanie współczynniki £ identyczne jak dla diod, o wartości zależnej od materiału półprzewodnikowego w którym wykonany jest tranzystor;