без учета влияния эмиттерного перехода может быть определен соотношением

где D - коэффициент диффузии; т-время жизни носителей.

При понижении температуры ток /ко падает по тому же закону, что и IsP-n перехода (см. §1, 2).

Эффективность работы транзистора (его коэффициент передачи тока на внешних зажимах) во многом определяется отношением толщины базы W к среднему расстоянию L, пройденному неосновными неравновесными носителями в базе до их рекомбинации за время жизни т. Величина /- определяется по формуле

где Цр - подвижность носителей.

Таким образом, существенного улучшения работы транзистора за счет охлаждения можно ожидать в том случае, если при прочих равных условиях величина L при понижении температуры будет расти или хотя бы оставаться неизменной. Тогда коэффициент передачи тока эмиттера ао, равный без учета влияния эффекта генерации носителей в переходе и влияния поля в базовой области величине

возрастет или останется неизменным. Обычно в транзисторе толщина базы W <L.

В приведенном выражении для ао:

5s и S - скорость и эффективная площадь поверхностной рекомбинации;

5э - площадь эмиттерного перехода;

М - коэффициент умножения.

Характерные зависимости т и L при разных температурах для дрейфового германиевого транзистора, построенные на основании [14] и материала предыдущих разделов, даны на рис. 2.19. Приведенные данные позволяют сделать вывод о возможности сохранения или увеличения коэффициента ао при охлаждении путем выбора исходного материала, вида примесей и их к01щентрации.

Тр, мксек

Lpcp >0 сА

150° 200° 300° Г°К а)

Рис. 2.19. Зависимость времени жизни носителей от Т (а) и длины диффузий L 01 Т (б) для дрейфового германиевого транзистора.

а также технологии прибора. Например, в InSb при понижении температуры примерно до 200°К время жизни неосновных носителей (дырок) быстро растет, а затем изменяется очень медленно, оставаясь в пределах (5-7)10- сек в зависимости от N [36].

Рассмотрим поведение обычных транзисторов при охлаждении их до низких температур. Для анализа используем температурные изменения статических вольт-амперных характеристик [8, 9]. Семейство статических входных характеристик гвх = /( вх) при Ывых = соп51 для плоскостного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, описывается уравнением (2.51).

Для статических выходных характеристик гвых = = ?( вых) ри постоянном напряжснии вх (или /вх) и обратном напряжении смещения {/к>- можно записать

(2.52)

Составляющая обрат1Юго тока коллектора, обусловленная поверхностной рекомбинацией / Об, с понижением температуры падает по такому же закону, так как

/ 5 const п\ .

Поэтому, как уже отмечалось, при низких температурах преобладающую роль начинает играть составляющая тока генерации в запорном слое перехода, равная по Шокли и Риду

/ген qd-s.

где d и 5 - толщина и площадь перехода.

Входное сопротивление для схемы с общей базой изменяется от температуры согласно выражению

где б-определяется конструкцией транзистора.

Выходное сопротивление может быть определено из выражения

/г = - =/а

OU,:

приведенные выше материалы дают основание утверждать, что при понижении температуры обычного транзистора:

- его входные характеристики должны смещаться в сторону больших положительных напряжений базы из-за уменьшения коэффициента /бэ в уравнении (2.51) (увеличения контактной разности потенциалов);

- его выходные характеристики должны смещаться в сторону меньших токов коллектора, а величина ао несколько уменьшится;

- вид характеристик может претерпевать различные изменения в зависимости от величины концентрации и типа примеси, от подвижности носителей, технологии изготовления прибора и т. д.

При глубоком охлаждении транзисторов, так же как и диодов, большое значение приобретают конструктив-

ные особен}Юсти и технология приборов, пpeдotвpaщaю-щие их механический выход из строя (разрыв, натяжение). Низкочастотные параметры охлажденных транзисторов практически не должны значительно измениться. При соответствуюп1ем выборе рабочей точки усилитель или генератор, собранный на охлажденных до низких температур транзисторах с нрим(М1еннем специальных радиодеталей, должен быть работоспособным и обеспечивать требуемые характеристики.

(li и tug 1ш6 3 г,

Идеальный транзистоо

-о э

Рис. 2.20. Эквивалентная схема транзистора с источниками шума для слабых сигналов.

Одним из важнейших параметров транзистора является уровень его собственных шумов.

Рассмотрим общеизвестную эквивалентную схему транзистора для слабых сигналов (рис. 2-20) с введенными в нее источниками шума, фактически действующими в транзисторе. Эта схема содержит четыре некоррелированных источника шума, обозначенных соответствующими генераторами тока или напряжения.

В приведенных ниже выражениях примем:

Гб - сопротивление базы на низких частотах;

Af - эквивалентная шумовая полоса;

ао -коэффициент усиления по току в схеме с общей базой на низких частотах;

/,( - полный ток коллектора;

/до - ток насыщения эмиттера;

/ко - ток насыщения коллектора.

Шумовое напряжение ишб, отображающее тепловой шум сопротивления Гб,

ышб2 = 4йГГбЛ/.

При низких температурах оно значительно уменьшается, так как находится в прямой зависимости от температуры Т. Кроме того, опытным путем установлено, что при

охлаждении до Г = 77°К сопротивление базы также уменьшается вследствие увеличения подвижности х.

Среднее квадратичное значение шумового тока (ш б, обусловленного дробовыми шумами прямого тока h и тока насыщения /эо,

!ГшбР = 2<7Д/(/б + /.о),

при низких температурах будет также меньше ввиду значительного снижения обратного тока насыщения. Однако вследствие перемещения входной характеристики в сторону больших токов базы может произойти некоторое увеличение шумов прямого тока базы. Ток дробовых шумов (шк имеет среднее квадратичное значение

1шк = 2?Д к,

где /к - ток коллектора.

Значение гшк, по-видимому, сохранится неизменным, так как в условиях низких температур режим по току коллектора должен быть таким же, как и при комнатной температуре.

Среднее квадратичное значение шумового тока imno, вызванного дробовым шумом насыщения коллектора, равно

(гако = 2Д ко.

В условиях низких температур эта составляющая тока шума значительно уменьшится, так как при охлаждении уменьшится и ток насыщения коллектора.

Приведем некоторые результаты экспериментов с охлажденными высокочастотными транзисторами. Работоспособность транзисторов, так же как и диодов, проверялась в самых тяжелых условиях, при резком изменении температуры от комнатной до температуры жидкого азота (77° К) и обратно. Испытаниям подвергалось несколько партий транзисторов П-410А, П-411А, П-416 и П-418, причем предварительно снимались характеристики при комнатной температуре, а затем при низких температурах. Окончание охлаждения транзисторов определялось по прекращению изменения тока коллектора и базы во времени при приложении к ним постоянных напряжений. Каждая характеристика опре-

делилась не менее трех раз в одних и тех же условиях (при каждом цикле) и за истинные значения принимались только те значения, которые повторялись не менее двух раз. После этого транзисторы нагревались до комнатной температуры и характеристики снимались вновь. Таких циклов измерений для каждой партии из указанных транзисторов было проведено три. Анализ получен-а 6

15, миа

01 0,Z 0.3 й.* 0,5 и,ь Ub.e

Рис. 2.21. Входные характеристики транзисторов при охлаждении до температуры жидкого азота и {/ = 5 в: при 7 =300° К (а) и при Г=77К {б).

ных данных показал, что, как правило, высокочастотные транзисторы сохраняют работоспособность при глубоком охлаждении.

Вольтамперные характеристики снимались при включении транзисторов по схеме с общим эмиттером. Сравнение входных характеристик /б = /(/б) группы из четырех транзисторов типа П-4П, снятых при комнатной (рис. 2.21,а) и азотной температуре (рис. 2.21,6) и при