晶体管的温度稳定性和零点漂移

晶体管晶体管特性特性特性的温度稳定性的温度稳定性
（电子科大微固学院 Xie Meng-xian ）
双极型晶体管在应用上的温度稳定性是一个很重要的问题。

因为晶体管是温度的敏感器件，它的参数（V BE 、β、I CBO ）都将会随温度而发生变化，并使得放大电路的静态工作点产生偏移。

这种变化不仅会影响到一般电路工作的稳定性，而且也会导致晶体管直接耦合放大电路产生零点漂移（温度漂移）。

对于一般的晶体管放大电路，其温度的稳定性就主要决定于晶体管工作点（直流电压和直流电流）随着温度而发生的变化；而导致这种变化的主要原因则是晶体管集电结反向饱和电流（I CBO ）的变化。

（1）影响晶体管温度稳定性的因素影响晶体管温度稳定性的因素：：
因为共发射极放大晶体管的输出集电极电流I C ，可表示为放大了的输入电流（即βI B ）与晶体管穿透电流I CEO 之和：
I C = β I B + I CEO ≈ β I B + β I CBO
可见，当工作温度变化时，晶体管电流放大系数β的变化以及I CBO 的变化，都将要引起晶体管输出电流的变化（即工作点变化）。

由于集电结反向饱和电流I CBO 是少数载流子扩散电流，则该电流决定于集电区和基区中的是少数载流子浓度梯度，近似与该两个区域中的少数载流子浓度成正比。

而半导体中的少数载流子浓度与温度之间存在着指数函数的关系（即少数载流子浓度将随着温度的升高而指数式增大），因此，晶体管的I CBO 也将随着温度的升高而指数式增大。

从而，这就会导致晶体管输出电流也相应地随着温度的升高而很快增大。

相对来说，晶体管电流放大系数随温度的变化较小，则在考虑温度变化的影响时，可以忽略β变化对晶体管输出电流的作用。

所以，在温度变化时，晶体管输出电流的变化将主要是由于晶体管的集电结反向饱和电流这个因素的影响。

从而可以见到：
① 为了提高晶体管的温度稳定性，就应该尽量减小晶体管的集电结反向饱和电流或者晶体管的穿透电流。

② 晶体管放大电路的温度稳定性，可以采用由I CBO 变化所决定的所谓温度稳定性系数S 来表示：
S = △I CO /△I CBO
式中的△I CO 是晶体管工作点电流的变化量，
△I CBO 是晶体管集电结反向饱和电流的变化量。

晶体管的S 值越接近1越好，一般是S=2～15。

(a)恒定基极电流偏置电路 (b)电流负反馈偏置电路 (c)电压负反馈偏置电路 图1 晶体管共发射极组态的典型偏置电路
（2）晶体管的偏置电路晶体管的偏置电路：：
晶体管的工作点是由其偏置电路来确定的。

晶体管的温度稳定性即与偏置电路型式直接有关。

因此，为了保证晶体管的温度稳定性，就应该选取合适的偏置电路。

对于晶体管共发射极放大组态，典型的偏置电路如图1所示。

图1（a ）是恒定基极电流偏置电路，因为这时由电阻R b 和集电极电压所决定的基极电流是固定的。

对于这种偏置的晶体管，可以求得其电流的温度稳定性系数为
S ≈ β
因为晶体管的β值一般为数十，所以恒定基极电流偏置电路的温度稳定性不好，其工作点很不稳定。

图1（b ）示出的是电流负反馈偏置电路，因为在发射极上接有起反馈作用的电阻R e 。

可以求得这种电路的晶体管温度稳定性系数为
S ≈ 1+{[R b1R b2/( R b1+R b2)]/R e }
可见，电流负反馈偏置电路的S 值比较接近于1，则这种偏置电路具有较好的温度稳定性；并且增大R e 和减小R b1、R b2时，都可以使S 值降低，即可提高晶体管的温度稳定性。

（3）物理机理：
为什么电流负反馈偏置电路的温度稳定性优越于恒定基极电流偏置电路？——实际上，这并不是由于增加的电阻（R b2和R e ）对集电结反向饱和电流起到了分流作用的缘故，而是由晶体管本身工作的物理机制（少数载流子输运）所产生的结果。

对于恒定基极电流偏置电路，从输入端来看（不考虑R b 的影响），就相当于基极开路的情况，这时晶体管基区中少数载流子的浓度分布如图2中的曲线2所示（集电结反向电压的抽取作用使得发射结上出现了一定的浮空电压），即有一定的浓度梯度，从而产生一定的集电结反向电流。

根据晶体管原理可知，晶
体管基极开路情况的浓度梯
度和相应的反向电流，总是要
比基极-发射极短路情况的大
得多。

图2中的曲线1即为基
极短路情况的浓度分布，这种
情况的梯度很小，则晶体管的
集电结反向电流也很小。

对于电流负反馈偏置电
路，在基极-发射极之间接有一
个电阻R b2，则这时基区中少
数载流子的浓度分布将处于基极短路的曲线1和基极开路的曲线2之间，因此浓度梯度
和相应的反向电流大小也就处在基极开路和基极短路这两种情况之间，即是反向电流小于恒定基极电流偏置电路的情况，但是大于基极短路的情况。

这也就说明，减小电阻R b2，使得尽量接近于基极短路的状态，则将越有利于降低集电结反向电流、提高晶体管的温度稳定性。

至于电流负反馈偏置电路中的发射极电阻R e 的作用，主要是抬高了基极电位、降低了集电结上的反向电压，使得集电结的抽取作用减弱，导致基区中少数载流子浓度分布的曲线变成为图2中的曲线3形式，即浓度梯度减小了，从而也就相应地减小了集电结反向电流，提高了晶体管的温度稳定性。

即是说，R e 起着电流负反馈作用。

在实际电路中，为了避免图2 基区中的少数载流子浓度分布
( 1是基极短路情况; 2是基极开路情况; 3是有发射极电阻情况
)
该发射极电阻R e对输入信号功率的消耗，就必须要与它并联一个较大的所谓旁路电容器，以短路交流信号。

偏置电路中的电阻R b或者R b1的作用，则主要是关系着集电结的反向电压大小。

因为当这些电阻为∞时，集电结上的反向电压最高；而当这些电阻为0时，则集电结反向电压也就降低为0。

故电阻R b或者R b1越小，集电结电压就越低，并因此基区中少数载流子浓度分布的曲线就越平坦（浓度梯度越小），从而集电结反向电流也就越小，即减小这些电阻即可提高晶体管的温度稳定性。

同时可以想见，图1(c)所示的电压负反馈偏置电路，这里的电阻R b1起着电压负反馈作用（即把集电极端的电压反馈到基极端）。

这种偏置电路也与图1(b)电流负反馈偏置电路一样，由于电阻R b1、R b2和R e的作用，也具有很好的温度稳定性。

总之，由于电阻R b2起着降低基极电位的作用，则该电阻越小，晶体管的稳定性就越好；而电阻R b1和R e由于都要影响到集电结的电压，则R b1越小、R e越大，晶体管的稳定性就越好。

因此，电流负反馈和电压负反馈偏置电路的温度稳定性，要比恒定基极电流偏置电路好得多；并且减小电阻R b1和R b2以及增大R e，都能够提高晶体管的温度稳定性。

【说明】对于集成电路中的晶体管，因为制作工艺的关系（主要是难以制作出较大容量的旁路电容器），故一般的偏置电路不宜使用，而是采用具有温度补偿的电流源和电压源——基准电源；其中温度稳定性最好的基准电压源是能隙基准电压源。

可参见“基本恒流源电路（电流反射镜电路）”和“能隙基准电压源”。