2003
Poznañskie Warsztaty TelekomunikacyjnePoznañ 11-12 grudnia 2003 Waldemar Nawrocki
Andrzej Jurkowski Jakub Pająkowski
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechniki PoznaĔskiej
ul. Piotrowo 3A, 60-965 PoznaĔ nawrocki@et.put.poznan.pl
TRANZYSTORY BIPOLARNE I WZMACNIACZE
TRANZYSTO-ROWE W ZAKRESIE TEMPERATURY 77-300 K
Streszczenie: W artykule omówiono zmianĊ parametrów
krzemowych tranzystorów bipolarnych w szerokim zakre-sie temperatury od temperatury pokojowej 300 K do tem-peratury ciekáego azotu 77 K. Stwierdzono, Īe niektóre tranzystory zachowują wáaĞciwoĞci wzmacniające aĪ do dolnej granicy badanego zakresu, ale spadek ich wspó á-czynnika wzmocnienia prądowego jest znaczny. Badane tranzystory wykorzystano w zbudowanych kriogenicznych wzmacniaczach napiĊciowych zdolnych do pracy w zakre-sie temperatury 77-300 K.
. WstĊp
SpoĞród aktywnych elementów elektronicznych najszersze zastosowanie mają krzemowe tranzystory bipolarne. Tranzystory bipolarne wchodzą w skáad wzmacniaczy scalonych i niescalonych, wielu innych ukáadów analogowych (klucze elektroniczne, generatory, filtry, przetworniki a/c i c/a) oraz cyfrowych ukáadów scalonych TTL i ECL. Zakres temperatury pracy tranzy-storów bipolarnych i ukáadów scalonych (analogowych i cyfrowych) z tranzystorami bipolarnymi jest okreĞlony przez ich producenta. Najszerszy zakres temperatury pracy rozciąga siĊ zwykle od −55°C do +25°C. Górna granica tego zakresu to temperatura, której przekroczenie grozi nieodwracalną zmianą struktury krzemu w tranzy-storze z monokrystalicznej na polikrystaliczną i zwiĊk-szeniem przez to rezystywnoĞci krzemu o kilka rzĊdów wielkoĞci []. Dolna granica zakresu pracy tranzystorów bipolarnych jest okreĞlona umownie, a najniĪsza spoty-kana temperatura −55°C wynika raczej z warunków klimatycznych, do których są przeznaczone urządzenia z tymi tranzystorami niĪ z moĪliwoĞci pracy ukáadu lub podzespoáu.
JednakĪe rozwój kriogeniki i fizyki niskich tempe-ratur wywoáaá potrzeby zastosowania ukáadów elektro-nicznych w temperaturze niĪszej od −55°C. Zakres ni-skich temperatur dzieli siĊ umownie na trzy podzakresy: − od 0°C = 273 K do temperatury wrzenia ciekáego azotu −96°C = 77 K,
− od 77 K do temperatury wrzenia ciekáego helu 4,2 K,
− poniĪej temperatury wrzenia ciekáego helu 4,2 K. W przedziale temperatury od 77 K do temperatury pokojowej (300 K) musi pracowaü wiele urządzeĔ tech-nicznych: lotniczych, meteorologicznych, cháodnictwa
przemysáowego, medycznych (przechowywanie tkanek, terapie kriogeniczne) oraz naukowych. Odkrycie w 986 r. nadprzewodników wysokotemperaturowych o tempe-raturze krytycznej 90 K i wyĪszej otworzyáo drogĊ do budowy wielu urządzeĔ naukowych i technicznych z takimi nadprzewodnikami (np. urządzenia elektroniczne ze záączami Josephsona, kable energetyczne). Tranzy-story bipolarne są potrzebne jako wzmacniacze sygna-áów dla czujników umieszczonych w oĞrodku o niskiej temperaturze, jako regulatory elektroniczne, klucze analogowe i przetworniki sygnaáów.
Do podobnych zadaĔ co tranzystory bipolarne sto-sowane są takĪe tranzystory polowe, zwáaszcza polowe záączowe JFET. Tranzystory JFET dobrze pracują w ciekáym azocie, a z efektem samopodgrzania takĪe w ciekáym helu [2]. Jednak wspóáczynnik wzmocnienia wzmacniacza z tranzystorem JFET jest kilkadziesiąt razy mniejszy niĪ wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym.
ZdolnoĞü tranzystorów bipolarnych do pracy w ni-skiej temperaturze nie jest jednak oczywista, a wrĊcz przeciwnie jest bardzo ograniczona. Jeszcze wiĊksze problemy niĪ z pojedynczymi tranzystorami wiąĪą siĊ z wykorzystaniem w niskich temperaturach ukáadów sca-lonych z tranzystorami bipolarnymi. TrudnoĞci te są po-wodowane przez bardzo silną zmianĊ dwóch parametrów tranzystorów bipolarnych w zakresie temperatury od 300 K do 77 K: zmniejszenie wspóáczynnika wzmocnienia prądowego do wartoĞci 0, < β < 20 [3] oraz wzrost napiĊcia na záączu przewodzącym tranzystora o okoáo 400 mV. Z podanych liczb wynika, Īe w temperaturze 77 K tranzystor bipolarny moĪe zupeánie utraciü zdolno-Ğci wzmacniające: β < 0,, a dotyczy to wiĊkszoĞci wyprodukowanych tranzystorów. Jest jednak moĪliwe zaprojektowanie wzmacniacza pracującego w temperatu-rze 77 K z takimi tranzystorami bipolarnymi, które za-chowaáy wáaĞciwoĞci wzmacniające w tej temperaturze. Znacznie trudniejsze jest zaprojektowanie takiego wzmacniacza, który poprawnie pracuje w caáym Īąda-nym zakresie temperatury 77-300 K, a nie tylko wąskim przedziale temperatury z tego zakresu. W ukáadach sca-lonych z miĊdzystopniowym sprzĊĪeniem galwanicznym (wewnątrz ukáadu) przesuniĊcie punktu pracy tranzysto-rów, powodowane zmianą prądów kolektorowych oraz zmianą napiĊcia UBE, jest bardzo duĪe i moĪe wprowa-dziü w stan odciĊcia tranzystory w ukáadzie. W wyniku badania udaáo nam siĊ wybraü grupĊ tranzystorów
bipo-larnych zachowujących wáaĞciwoĞci wzmacniające w niskiej temperaturze i okreĞliü kryteria oszacowania tych wáaĞciwoĞci dla tranzystorów niebadanych. NastĊpnie zaprojektowaliĞmy i sprawdziliĞmy dziaáanie wzmacnia-czy tranzystorowych w zakresie temperatury 77-300 K.
2. Charakterystyki statyczne krzemowych tranzystorów bipolarnych w zakresie 77-300 K
W Zakáadzie Elektronicznych Systemów Po-miarowych Instytutu Elektroniki i Telekomunikacji zmierzono charakterystyki statyczne kilkudziesiĊciu krzemowych tranzystorów bipolarnych typów: BC07,
BC08, BC09, BC77 (tranzystor p-n-p), BC43 i BC44. Katalogowe i rzeczywiste wartoĞci wspóáczyn-nika wzmocnienia prądowego β w temperaturze poko-jowej tych tranzystorów leĪaáy w granicach od 50 dla tranzystora BC07A do 600-700 dla tranzystorów BC08C i BC09C. Dla wszystkich badanych tranzysto-rów stwierdzono znaczny spadek wartoĞci wspóáczyn-nika β po scháodzeniu od temperatury pokojowej 295 K do 77 K (zanurzenie tranzystora w ciekáym azocie). Na rysunku pokazano wykresy charakterystyk prądu ko-lektora IC= f(UBE) dla jednego z badanych tranzystorów dla 6 wartoĞci temperatury w zakresie od 295 K do 77 K.
Rys. . Charakterystyki statyczne tranzystora krzemowego typu BC44C w zakresie temperatury od 77 K do 298 K. Dla kaĪdej temperatury wykresy przedstawiają prąd kolektora IC w funkcji napiĊcia UCE dla staáych wartoĞci prądu bazy: IB = 20, 40 i 60 µA
Na podstawie charakterystyk z rys. obliczono wspóáczynnik wzmocnienia prądowego β badanego tranzystora − rys. 2. Wzmocnienie prądowe tranzystora zmniejszyáo siĊ z β= 425 dla T =298 K do β=3,2 dla T = 77 K. RedukcjĊ 30-00 krotną wartoĞci wspóáczyn-nika β zmierzono dla innych badanych tranzystorów.
NapiĊcie záącza póáprzewodnikowego jest liniową funkcją temperatury, co wykorzystuje siĊ do konstru-owania termometrów póáprzewodnikowych. NapiĊcie záącza baza-emiter UBE w tranzystorze podlega nastĊpującym zmianom: G E B BE keT IIT U U = + ) ( ln 0 . () IE – prąd emitera tranzystora,
I0(T) – prąd wsteczny (zerowy) záącza, T – temperatura w skali bezwzglĊdnej,
UG – staáa materiaáowa, czyli róĪnica potencjaáów wyni-kająca z szerokoĞci pasma zabronionego w energetycz-nym modelu pasmowym ciaáa staáego (dla Si: UG = ,205 V w temperaturze 300 K). Ic=f(Uce) dla 295 K 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Uce [V] Ic [mA] Ic=f(Uce) dla 210 K 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Uce [V] Ic [mA] Ic=f(Uce) dla 170 K 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Uce [V] Ic [mA] Ic=f(Uce) dla 130 K 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Uce [V] Ic [mA] Ic=f(Uce) dla 100 K 0,00 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Uce [V] Ic [mA] Ic=f(Uce) dla 77 K 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Uce [V] Ic [mA] IB = 20 µA 40 µA 60 µA IB = 20 µA 40 µA 60 µA
tranzystor BC414C 10 100 1000 70 120 170 220 270 temperatura T [K] wzm. pr ądowe ββββ
Rys. 2. Wspóáczynnik wzmocnienia prądowego β tran-zystora typu BC44C w zakresie temperatury od 77 K do 298 K dla staáych wartoĞci prądu bazy IB = 40 µA i
napiĊcia UCE = 4 V
Na rysunku 3 pokazano otrzymane charakterystyki UBE = f(T) dla IE = mA = const dla dwóch badanych tranzystorów: BC44C oraz BC08C. Rozrzut punktów pomiarowych dla tych charakterystyk mieĞci siĊ w gra-nicach báĊdu pomiaru.
W wyniku pomiarów kilkudziesiĊciu tranzystorów stwierdzono, Īe po schodzeniu tranzystora wzmocnienie prądowe β > 0 w temperaturze 77 K zachowują tylko niektóre te tranzystory, które w temperaturze pokojowej mają wzmocnienie β > 400. Zatem tylko takie tranzy-story mogą zostaü wykorzystane we wzmacniaczu na-piĊcia przeznaczonym do pracy w caáym zakresie tempe-ratury 77-300 K. NapiĊcie UBE = f(T ) 600 800 1000 1200 70 120 170 220 270 Temperatura T [K] U BE [mV]
Rys. 3. NapiĊcie na záączu-baza emiter w funkcji tempe-ratury dla tranzystorów: BC44C i BC08C dla staáej
wartoĞci IE = mA
3. Kriogeniczny wzmacniacz tranzystorowy z klasyczną polaryzacją bazy
Zbudowano i przebadano dwustopniowy wzmac-niacz napiĊcia przewidziany do pracy w caáym zakresie temperatury 77-300 K. W czasie projektowania wzmac-niacza naleĪaáo uwzglĊdniü przewidywaną zmianĊ punktu pracy tranzystorów. Polaryzacja bazy tranzystora wymusza prąd bazy IB, którego wartoĞü sáabo zaleĪy od
temperatury. Wzmocniony prąd bazy tworzy prąd ko-lektora i prąd emitera.
IC = β(T)⋅IB (2) IE = [β(T) + ]⋅IB (3) Zmiana (spadek wartoĞci) wspóáczynnika β w funkcji temperatury powoduje zatem odpowiednie zmiany prądu ICorazIE w punkcie pracy.
Pewien wpáyw na IB ma napiĊcie staáe bazy UB, które jest sumą dwóch napiĊü: UB=UBE + REIE, z których UBE roĞnie a napiĊcie (REIE) maleje przy obniĪaniu tem-peratury. Zastosowanie ujemnego sprzĊĪenia zwrotna w projektowanym wzmacniaczu korzystnie wpáywa na stabilizacjĊ punktu pracy, a raczej na zmniejszenie zmian prądu kolektora tranzystora po obniĪeniu temperatury tranzystora.
Na rysunku 4 pokazano jeden z badanych wzmac-niaczy tranzystorowych w ukáadzie dwustopniowym.
Rys. 4. Wzmacniacz kriogeniczny na zakres temperatury 77-300 K
W tabeli podano wartoĞci parametrów punktu pracy obydwóch tranzystorów Q4 i Q5 wzmacniacza w granicznych punktach zakresu temperatury 77-293 K. Dane w tabeli pokazują, Īe zmiana prądu kolektora IC i zmiana napiĊcia na kolektorze UC są bardzo duĪe. War-toĞci napiĊcia UC w 77 K są bliskie stanowi odciĊcia tranzystora i ograniczają obszar liniowej pracy wzmac-niacza. Dopuszczalna amplituda napiĊcia wyjĞciowego wzmacniacza wynosi okoáo 00-200 mV. Praca tran-zystora w punkcie pracy UCE bliskim napiĊcia zasilania lub napiĊcia zerowego wiąĪe siĊ dodaniem znieksztaáceĔ nieliniowych do przetwarzanego sygnaáu.
Tabela . Parametry punktu pracy tranzystorów we wzmacniaczu z rys. 4
T IC4 UB4 UC4 IC5 UB5 UC5
293 K 8 mA ,78 V ,88 V 7,4 mA ,64 V 2,28 V
77 K ,25 mA ,22 V ,3 V 0,86 mA ,03 V ,52 V
IC4,UC4− prąd i napiĊcie kolektora tranzystora Q4, IC5,UC5 − prąd i napiĊcie kolektora tranzystora Q5.
Dla przedstawionego wzmacniacza wyznaczono takĪe wspóáczynnik wzmocnienia napiĊciowego ku w funkcji czĊstotliwoĞci do 3 MHz dla temperatury 293 i 77 K. Przebieg charakterystyki ku = F(f) wzmacniacza
pokazano na rys. 5. Dla temperatury pokojowej (293 K) wzmacniacza wspóáczynnik wzmocnienia ku wynosiá 7 V/V a pasmo czĊstotliwoĞci f3dB = , MHz. Dla wzmacniacza w ciekáym azocie (77 K) wspóáczynnik ku wynosiá 30 V/V a pasmo czĊstotliwoĞci f3dB = ,3 MHz. DziĊki zastosowanemu ujemnemu sprzĊĪeniu zwrot-nemu skala zmian wartoĞci ku byáa umiarkowana. Wzmacniacz dziaáaá poprawnie w caáym zakresie tempe-ratury 77-300 K. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 10 100 1000 10000 f [kHz] wzm. Ku [V/V]
Rys. 5. Wzmocnienie napiĊciowe ku wzmacniacza w funkcji czĊstotliwoĞci dla temperatur: 293 K i 77 K
4. Kriogeniczny wzmacniacz tranzystorowy z diodową polaryzacją bazy
Lepszą stabilizacjĊ punktu pracy tranzystorów niĪ w ukáadzie z rys. 4 uzyskano w ukáadzie pokazanym na rys. 6. We drugim stopniu wzmacniacza z rys. 6 polary-zacja bazy tranzystora BC08C odbywa siĊ ze Ĩródáa napiĊcia utworzonego przez dwie diody spolaryzowane do przewodzenia. Ocháodzenie wzmacniacza powoduje wzrost napiĊcia na diodach i zwiĊkszenie prądu bazy, które jest potrzebne do podtrzymania prądu kolektora mimo zmniejszenia wspóáczynnika β tranzystora. Ten sposób polaryzacji ma takĪe wadĊ: znaczne zmniejszenie impedancji wejĞciowej stopnia wzmacniacza. Impedan-cja wejĞciowa jest nie mniejsza niĪ wartoĞü opornika R8 w ukáadzie. Impedancja wejĞciowa jest waĪnym pa-rametrem wzmacniacza i dlatego w ukáadzie pokazanym na rys. 6 polaryzacjĊ pierwszego tranzystora ( BC44C) rozwiązano w klasyczny sposób. Polaryzacja diodowa jest celowa zwáaszcza w drugim stopniu wzmacniacza, w którym jest wiĊksza amplituda przetwarzanego sygnaáu. Parametry punktów pracy tranzystorów we wzmacniaczu na temperatury 293 K i 77 K podano w tabeli 2.
Tabela 2. Parametry punktu pracy tranzystorów we wzmacniaczu z rys. 6
T IC5 UB5 UC5 IC4 UB4 UC4
293 K 8 mA ,77 V ,88 V 5,0 mA ,38 V 4,40 V
77 K ,25 mA ,3 V ,3 V 4,27 mA ,33 V 9,82 V
IC4,UC4− prąd i napiĊcie kolektora tranzystora Q4, IC5,UC5 − prąd i napiĊcie kolektora tranzystora Q5.
Rys. 6. Wzmacniacz kriogeniczny na zakres temperatury 77-300 K z diodową polaryzacją bazy tranzystora BC08C Z danych przedstawionych w tabeli 2 wynika, Īe dio-dowa polaryzacja bazy pozwala utrzymaü zmiany punktu pracy tranzystora w wĊĪszym przedziale. Zmierzono wspóáczynnik wzmocnienia napiĊciowego ku oraz pasmo czĊstotliwoĞci przenoszonych sygnaáów dla tego wzmac-niacza i uzyskano parametry:
− dla temperatury 293 K: ku = 78 V/V, f3dB = ,5 MHz; − dla T = 77 K: ku = 32 V/V, f3dB = ,5 MHz.
5. Wnioski
Badania wykazaáy, Īe czĊĞü tranzystorów bipolar-nych zachowuje zdolnoĞci wzmacniające takĪe w niskich temperaturach, aĪ do temperatury ciekáego azotu 77 K. Wspóáczynnik wzmocnienia prądowego tranzystorów zmniejsza siĊ od 30 do 00 razy po ich scháodzeniu do 77 K. MoĪna konstruowaü wzmacniacze tranzystorowe z tranzystorami bipolarnymi o szerokim zakresie tempe-ratury pracy od 77 K tempetempe-ratury pokojowej. Diodowa polaryzacja bazy tranzystorów pozwala na mniejsze zmiany punktu pracy tranzystora we wzmacniaczu.
Literatura
[] Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i ukáa- dach póáprzewodnikowych, WNT, Warszawa 992. [2] Nawrocki W., Silicon junction field effect transistors at 4.2 K, Cryogenics vol. 28 (988), 394.
[3] Michalak S., WáaĞciwoĞci wzmacniające tranzysto- rów bipolarnych w niskich temperaturach, Elektro- nika, nr 6, 2000.
293 K
