Podręcznik

Dobra rada: zanim zaczniesz czytać dalej, przypomnij sobie (część I, punkty 3.1.5 i 3.1.6) podstawowe wiadomości o charakterystykach tranzystorów MOS i bipolarnych. 

W tranzystorach MOS zależne od temperatury są: napięcie progowe $V_T$ oraz ruchliwość nośników w kanale tranzystora m. Zarówno napięcie progowe, jak i ruchliwość są malejącymi funkcjami temperatury. Napięcie progowe maleje w przybliżeniu liniowo, o 1 ... 3 mV/^oC. Ruchliwość maleje wg funkcji potęgowej: $\mu\div T^{-a}$. W typowych warunkach pracy tranzystora przeważa wpływ zmian ruchliwości, a to oznacza, że przy napięciach polaryzujących niezależnych od temperatury prąd drenu tranzystora maleje z temperaturą.

W tranzystorach bipolarnych bardzo silnie (wykładniczo) wzrasta z temperaturą stała $J_{ES0}$ określająca przebieg charakterystyki $I_C=f\left(V_{BE}\right)$. W rezultacie przy niezależnych od temperatury napięciach polaryzujących prąd kolektora wykładniczo wzrasta z temperaturą. Jeśli zaś prąd kolektora w układzie jest wymuszony w taki sposób, że nie zależy od temperatury, to napięcie $V_{BE}$ maleje z temperaturą w przybliżeniu liniowo, o około 2 mV/^oC. Ten fakt jest często wykorzystywany w projektowaniu układów. Od temperatury zależy także współczynnik wzmocnienia prądowego h_FE. Jego wartość rośnie z temperaturą. Wzrost jest w pierwszym przybliżeniu liniowy, a szybkość wzrostu zależy od koncentracji domieszek w obszarach emitera i bazy tranzystora (na co jednak projektant układu nie ma żadnego wpływu).

Silna zależność prądu kolektora od temperatury może być przyczyną wewnętrznej niestabilności tranzystora bipolarnego. Jeśli tranzystor polaryzowany jest napięciami niezależnymi od temperatury, to prąd kolektora rośnie z temperaturą, a wraz z prądem rośnie moc wydzielająca się w strukturze tranzystora. To powoduje wzrost temperatury (samopodgrzewanie się tranzystora), a wzrost temperatury powoduje dalszy wzrost prądu. Występuje tu więc zjawisko niestabilności elektryczno-cieplnej: dodatnie elektryczno-cieplne sprzężenie zwrotne. Może ono w skrajnym przypadku doprowadzić do nieograniczonego wzrostu prądu i temperatury, co oczywiście powoduje zniszczenie tranzystora. Ten efekt jest mało prawdopodobny w tranzystorach pracujących z małymi wartościami prądu i mocy, natomiast jest poważnym problemem w przypadku tranzystorów, w których przy pracy wydziela się duża moc, jak na przykład tranzystory w stopniu wyjściowym akustycznego wzmacniacza mocy.

Tranzystory MOS są stabilne cieplnie, ponieważ wzrost temperatury powoduje w nich spadek wartości prądu drenu, a więc i wydzielanej mocy. Elektryczno-cieplne sprzężenie zwrotne jest więc w ich przypadku ujemne.

Od temperatury zależy także rezystancja rezystorów półprzewodnikowych. Polikrzemowe rezystory mają dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji, jego wartość zależy od poziomu domieszkowania polikrzemu i jest rzędu 0,05%/^oC ... 0,3%/^oC (silniej domieszkowane obszary półprzewodnika mają niższe wartości tego współczynnika).

Zależności parametrów elementów od temperatury powodują, że w układach analogowych trzeba stosować specjalne układy stabilizujące punkty pracy (czyli składowe stałe napięć i prądów) tranzystorów. Układy te powinny zapewnić punkty pracy możliwie niezależne od temperatury. Trzeba dodać, że w układach scalonych punkty pracy wszystkich elementów są z reguły powiązane ze sobą. Powoduje to, że nawet bardzo nieznaczne zmiany prądów i napięć w jednym bloku układu mogą powodować katastrofalnie duże zmiany w innych blokach. Przykładowo rozważmy trzystopniowy wzmacniacz (rysunek 2-1; trójkąty są symbolami wzmacniacza stosowanymi w układach analogowych), którego każdy stopień ma wzmocnienie napięciowe k_u = 10. Niech na wyjściu pierwszego stopnia wzmacniacza wystąpi wywołana zmianą temperatury zmiana składowej stałej napięcia równa 10 mV. Ta niewielka zmiana może nie mieć żadnego niekorzystnego wpływu na działanie tego stopnia, ale jest ona wzmacniana i na wyjściu trzeciego stopnia wynosi już 1V!

Rysunek 2‑1. Ilustracja zjawiska zmian składowych stałych napięcia wywołanych zmianami temperatury

Ponadto występuje cieplne sprzężenie pomiędzy elementami układu. Zmiana napięcia o 1V na wyjściu trzeciego stopnia i związana z nią zmiana wielkości mocy wydzielanej w elementach tego stopnia zmienia temperaturę wszystkich stopni układu, w tym także pierwszego, występuje tu więc elektryczno-cieplne sprzężenie zwrotne. Omówione wyżej efekty cieplne zmuszają do stosowania w analogowych układach scalonych takich rozwiązań układowych, które stabilizują napięcia i prądy w układzie czyniąc je mało zależnymi od temperatury. Stosowane są dwie klasy takich rozwiązań. Jedna z nich to stabilne temperaturowo źródła prądowe i źródła napięciowe. Źródła prądowe są to układy, które wymuszają przepływ w pewnej gałęzi układu prądu o określonym natężeniu. Źródła napięciowe są to układy, które wymuszają określoną różnicę potencjałów między dwoma węzłami układu.  Zarówno źródła prądowe, jak i napięciowe mogą służyć m.in. do tego, by zapewnić w układzie stabilne wartości prądów i napięć. Druga klasa rozwiązań to stopnie i bloki robocze (tj. wykonujące operacje na sygnałach elektrycznych – wzmacniacze, filtry itp.), które są wewnętrznie odporne na zmiany charakterystyk i parametrów elementów. Osiąga się to zazwyczaj przez wykorzystanie układów symetrycznych, gdzie zmiany napięć i prądów w jednej części układu są kompensowane takimi samymi zmianami w drugiej, symetrycznej części. Stosowane są także inne sposoby kompensacji zmian napięć i prądów wywołanych zmianami temperatury. Łączne zastosowanie rozwiązań z obu klas daje w rezultacie układy, których odporność na efekty związane ze zmianami temperatury jest dostatecznie wysoka. Przykłady poznamy dalej.