книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы

пределены в сплавах неравномерно, но с течением вре­ мени происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. В большинстве случаев диффузия сопро­ вождается увеличением сопротивления, причем при нор­ мальной температуре процесс диффузии протекает с ма­ лой интенсивностью; с увеличением же температуры процесс резко ускоряется.

Пластические деформации в проводе, возникающие при его изготовлении и намотке на каркас резистора, приводят к механическому наклепу и вызывают рост сопротивления до 1,5—4%. Искаженная вследствие на­ клепа структура материала проволоки является термо­ динамически неустойчивой. С повышением температуры кристаллическая решетка переходит из более напряжен­ ного состояния в менее напряженное. Последующее вос­ становление кристаллической решетки сопровождается уменьшением величины электрического сопротивления.

После пластической деформации в материале остаются внутренние напряжения. С течением времени благодаря поглощению энергии упругой деформации происходит переход из напряженного состояния в ненапряженное, который также приводит к изменению сопротивления.

Значительные изменения сопротивления проволок происходят и за счет роста окисных пленок, которые фактически уменьшают проводящее ток сечение провод­ ника. Окисные пленки при образовании стремятся вос­ принять структуру сплава. Так как объемы сплава и окисла различны, то в последнем возникают значитель­ ные напряжения, приводящие к появлению пор и тре­ щин. За счет разности коэффициентов линейного расши­ рения сплава и окисла при циклическом воздействии температур резко ускоряется процесс окисления спла­ вов, что приводит к образованию новых окисных слоев.

Воздействие повышенной влажности на проволоки из сплавов на неблагоприятной основе приводит к интен­ сивному окислению проволок, результатом чего яв­ ляется изменение сопротивления резистора.

Изменение сопротивления эмалированного провода может происходить и из-за механических давлений, соз­ даваемых эмалевой пленкой, которые обратно пропор­ циональны диаметру провода. Напряженное состояние провода со временем переходит в пластическую дефор­ мацию, что сопровождается увеличением сопротивления.

70

Таким образом, временной дрейф проволок резисто­ ров зависит от воздействий, которым они подвергаются в процессе изготовления резисторов, а также от условий окружающей среды, в которых они находятся. Поэтому при конструировании ПСН следует большое внимание уделять размещению точных проволочных резисторов. Как показали исследования, временной дрейф готовых резисторов увеличивается в значительной степени, если на них оказывается дополнительное механическое воз­ действие, например, при заливке их компаундом. При выборе защитного покрытия резистора или материала для его герметизации необходимо также учитывать, что некоторые материалы с течением времени могут давать значительную усадку, что может привести к возникно­ вению дополнительных механических напряжений в ма­ териале проволоки, а следовательно, к увеличению вре­ менного дрейфа.

С увеличением температуры на резисторе временной дрейф также увеличивается. Поэтому при проектирова­ нии ПСН следует учитывать это обстоятельство при вы­ боре температуры статирования СЭТ, если она приме­ няется, а также при расчете допустимой мощности рас­ сеивания резистора, особенно при работе в условиях

С целью уменьшения временного дрейфа резисторов последние должны быть надежно защищены от воздейст­ вия влаги. Для этого постоянные проволочные резисторы, как правило, герметизируются. Из этого следует, что для герметизации должны выбираться такие изоляцион­ ные материалы, которые с течением времени и при воз­ действии на них влаги и других внешних факторов не изменяли бы в значительной степени сопротивление изо­ ляции. Это имеет значение в основном для высокоомных резисторов. На изменение сопротивления низкоомных резисторов оказывает влияние качество выполнения неразъемных контактных узлов. Из изложенного выте­ кает, что при проектировании ответственных узлов ПСН необходимо избегать по возможности 'применения как высокоомных, так и низкоомных резисторов. Для таких узлов наиболее целесообразно применять проволочные

71

Из перечисленных резисторов более высокой временной стабильностью обладают резисторы типа С 5-25 вследст­ вие герметизации резистивного элемента и уменьшения влияния температурного коэффициента сопротивления резистивной проволоки. С этой целью резистивная про­ волока наматывается с минимально возможным натягом, а каркас резистора предварительно покрывается полуполимеризованным слоем компаунда, который умень­ шает механические напряжения проволоки. Для защиты от механических и климатических воздействий резистор

также покрывается равномерным слоем компаунда.

Временной дрейф переменных резисторов требует отдельного рассмотрения, так как перемен­ ные резисторы, даже проволочные, имеют больший коэффициент не­ стабильности, чем постоянные. Вопервых, временной дрейф полного сопротивления переменного рези­ стора увеличивается дополнительно за счет наличия скользящего кон­ такта, имеющего широкую пло­ щадь и способного закорачивать различное количество витков обмот­

ки резистора. Во-вторых, временной дрейф установлен­ ного сопротивления переменного резистора в схемах ПСН сказывается также весьма существенно. Изменение уста­ новленного сопротивления обусловлено нестабильностью сопротивления резистивного элемента, а также кон­ тактным сопротивлением между скользящим контактом и резистивным элементом, определяемым наличием на контактирующих поверхностях изолирующих пленок различного происхождения и микрогеометрией поверх­ ности. Величина контактного сопротивления изменяется как во времени вследствие роста окисной пленки, так и при перемещении скользящего контакта по резистив­ ному элементу из-за неравномерной толщины окисной пленки на контактных поверхностях, неоднородности микрогеометрии контактных поверхностей и других причин.

На рис. 23 изображена эквивалентная схема перемен­ ного резистора, включенного по реостатной схеме, с уче­

72

том контактного сопротивления. В этом случае установ­ ленное сопротивление R y = R' + Дк, где R ' — сопро­ тивление части резистивного элемента, R K— контакт­ ное сопротивление.

Коэффициент нестабильности для установленного со­ противления может быть определен из выражения:

6Ry = bR' + 8RK,

где бR' и бRK— соответственно коэффициенты неста­ бильности части резистивного элемента и контактного сопротивления.

Рис. 24. Зависимость коэффициента неста­ бильности установленного сопротивления пе­ ременного проволочного резистора

Для большинства переменных проволочных резисто­ ров с контактами на основе благородныхДметаллов ве­ личина нестабильности контактного сопротивления за 1000 ч эксплуатации лежит в пределах от 0,2 до 2 R K a R Kот 0,1 до 3 ом.

На рис. 24 представлен график коэффициента неста­ бильности установленного сопротивления 8Ry и его со­ ставляющих в зависимости от величины установленного сопротивления для переменного проволочного резистора с общим сопротивлением 1000 ом и контактным сопротив­ лением 3 ом. Из графика видно, что коэффициент неста­

73

бильности установленного сопротивления имеет значи­ тельную величину при малых установленных сопротив­ лениях и с увеличением последних резко уменьшается. Поэтому на переменных резисторах нецелесообразно работать с установленными сопротивлениями, меньшими 0,3—0,4 величины общего сопротивления.

С целью уменьшения временной нестабильности как переменных, так и постоянных резисторов их подвергают специальной термообработке — искусственному старе­ нию. При термообработке происходит ускорение гомоге­ низации резистивных сплавов и снимается механиче­ ский наклеп проволоки, возникающий в процессе изго­ товления резистивного элемента.

В практике используется непрерывная и циклическая термообработка. При непрерывной термообработке ре­ зисторы нагревают до температуры 100—300° С в зави­ симости от условий эксплуатации и выдерживают при этой температуре в течение определенного времени (10—1000 ч). При этом время выдержки целесообразно устанавливать индивидуально для каждого конкрет­ ного типа резистора, руководствуясь эксперименталь­ ной зависимостью изменения сопротивления резисторов от времени.

При циклической термообработке резисторы выдер­ живают в термостате при температуре 150—300° С в те­ чение 0,25—10 ч, а затем охлаждают при нормальной температуре в течение 0,25—24 ч. После этого цикл по­ вторяется. Время, температуру и количество циклов целесообразно выбирать, исходя из особенностей данного типа резистора и допустимой нестабильности.

Термообработка постоянных резисторов позволяет по­ лучить коэффициент нестабильности сопротивления, рав­ ный сотым долям процента за 1000 ч при эксплуатации их в условиях сравнительно высоких температур (до 50—120° С) и жестких механических и климатических воздействий.

12. ВРЕМЕННОЙ! ДРЕЙФ КРЕМНИЕВЫХ СТАБИЛИТРОНОВ И ТРАНЗИСТОРОВ

Временная стабильность параметров кремниевых ста­ билитронов имеет особое значение в случае применения их в качестве источников опорного напряжения в ИЭС

74

ПСН. В настоящее время исследованию временной ста­ бильности кремниевых стабилитронов уделяется боль­ шое внимание [6, 15, 25]. Проведенный анализ резуль­ татов исследований позволяет выделить две составляю­ щие временного дрейфа напряжения стабилизации крем­ ниевых стабилитронов: 1) детерминированная состав­ ляющая дрейфа (медленный дрейф или так называемое старение), 2) стохастическая составляющая дрейфа (бы­ стрый дрейф). Само название детерминированная состав­ ляющая дрейфа говорит о том, что мы имеем дело с ве­ личиной не случайной, имеющей явно выраженный ха­ рактер экспоненциальной зависимости. Наличие этой составляющей приводит, как правило, к увеличению напряжения стабилизации за длительный период вре­ мени почти для всех типов кремниевых стабилитронов. Стохастическая составляющая дрейфа носит характер случайных воздействий и в каждый момент времени мо­ жет быть как положительной, так и отрицательной ве­ личиной.

Если рассматривать зависимость напряжения ста­ билизации стабилитронов во времени с момента изго­ товления последних, то можно выделить два периода: период быстрого старения и следующий за ним период медленного старения. Действительно, сразу после из­ готовления стабилитронов в течение первых часов ра­ боты временная стабильность может быть положитель­ ной, отрицательной или случайной, и для отдельных экземпляров изменение напряжения стабилизации до­ стигает 1 %. Однако затем с увеличением времени работы отмечается увеличение напряжения стабилизации при­ мерно на 0,2%, а к 1000 ч работы напряжение пробоя стабилизируется. Скорость увеличения напряжения про­ боя падает, сужается разброс менаду максимальными и минимальными значениями стохастической составляю­ щей дрейфа.

В связи с наличием периода быстрого старения на- заводах-изготовителях кремниевых стабилитронов про­ изводят искусственное старение в условиях'* повышенной температуры и, таким образом, стабилитроны поступают к потребителю уже в относительно стабильном состоя­ нии.

В период медленного старения как детерминирован­ ная, так и стохастическая составляющие дрейфа сущест­

75

венно уменьшаются. Для прецизионных термокомпенси­ рованных стабилитронов типа Д818 промышленность нормирует временной дрейф не более +0,11% за срок службы. Однако исследования долговременной стабиль­ ности этих стабилитронов показали, что уход напряже­ ния стабилизации за 1000 ч не превысил 0,01 —0,02% [8]. Эта величина примерно соответствует фактической величине детерминированной составляющей временного дрейфа стабилитронов Д818 за 1000 ч. Амплитуда сто­ хастической составляющей дрейфа за 1000 ч, как пра­

разработаны и выпускаются высокостабильные стаби­ литроны КС196Г с полным дрейфом напряжения ста­ билизации не более 0,02% за 2000 ч.

Следует отметить, что предварительное искусствен­ ное старение в течение 200—500 ч при повышенных ра­ бочих температурах может еще более снизить временной дрейф применяемых в ПСН стабилитронов.

Кремниевые стабилитроны имеют достаточно малые шумы, аналогичные-дробовым, и достигают максималь­ ной величины в момент пробоя. С увеличением тока от единицы микроампер до единиц миллиампер амплитуда шумов уменьшается от нескольких милливольт до де­ сятков микровольт. Спектр шумов стабилитронов лежит в диапазоне 10—60 кгц.

Все данные, приведенные выше, касаются только корпусных стабилитронов. Бескорпусные стабилитроны имеют существенно больший временной дрейф и поэтому применять их для ПСН недопустимо.

Основной причиной нестабильности параметров тран­ зисторов во времени следует считать нестабильность энергетического состояния поверхности полупровод­ ника. Физико-химические процессы, приводящие к вре­ менной нестабильности параметров транзисторов, опи­ саны в [16]. Даже при идеально чистой поверхности вблизи поверхности полупроводника появляются энер­ гетические уровни в запрещенной зоне, которых нет в объеме кристалла. В реальных же условиях, при на­ личии загрязненной поверхности, создаются так назы­ ваемые инверсные слои, обладающие проводимостью противоположного знака по отношению к проводимости в объеме полупроводника.

76

Ничтожное количество влаги, адсорбированное по­ верхностью полупроводника, создает утечку по поверх­ ности, сопротивление которой становится сравнимым с сопротивлением обратно смещенного перехода.

Вследствие происходящей химической и физической адсорбции образуется ионная проводимость параллельно переходу и ощущаемая как увеличение обратного тока коллектора / триода по сравнению с его рекомбина­

ционной составляющей.

Возможен другой механизм, приводящий к возрас­ танию / к0. Адсорбция воды, газов и т. д. может созда­

вать на поверхности пространственные заряды обоих знаков, что приводит к образованию в приповерхност­ ном слое дополнительного слоя типа п или р, т. е. прои­ зойдет как бы увеличение площадей р—n-перехода, об­ разуется «канал», через который увеличивается ток не­ основных носителей, т. е. / ко. Таким образом, времен­

ная нестабильность обратного тока / 1<0 транзисторов связана либо с «ионным», либо с «канальным» механиз­ мом проводимости.

Естественно, что дополнительные уровни являются уровнями не только генерации, но и центрами рекомби­ нации для носителей, находящихся в объеме кристалла и уменьшающими эффективное время жизни т носителей. Последнее обстоятельство сильно влияет на коэффици­

ент усиления транзистора по току а или р = —- — .

При самой тщательной очистке поверхности химиче­ ским или электрическим травлением на ней все же ос­ тается тонкая окисная пленка, имеющая различную прочность и величину в зависимости от условий окру­ жающей среды, состава травителя и технологии трав­ ления. Эта пленка поглощает влагу и примеси из раст­ воров и окружающей среды. Влага может оседать на поверхность или, наоборот, количество ее будет умень­ шаться под воздействием температуры. Окислы могут менять свою структуру и характер. Часть элементов может медленно диффундировать в объем полупровод­ ника. Под воздействием напряжения также могут иметь место изменения концентрации влаги, примесей'и сое­ динений кислорода. Очевидно, что изменения концентра­ ций влаги могут быть и быстрыми, и медленными; из­

77

менения характера окислов происходят за более дли­ тельный промежуток времени. Отсюда становится ясным и изменение — дрейф параметров, в первую очередь / к0 и р, во времени. Этот дрейф, так же, как и у стаби­

литронов, может быть длительным (детерминированная составляющая дрейфа) и кратковременным (стохастиче­ ская составляющая дрейфа). Аналогичный характер носит изменение во времени и других параметров тран­ зисторов, таких, как обратный ток эмиттерного перехода / эо и напряжения база—эмиттер UE э . Практически

при проектировании ПСН необходимо учитывать изме­ нения вышеуказанных параметров транзисторов в ши­ роких пределах. Так, |3 у кремниевых транзисторов ма­ лой мощности изменяется приблизительно на ± 20% за 1000 ч работы при температуре + 20° С, а 1К0 за это

же время на + 50%. Дрейф напряжения базы Us э

во времени обычно не превосходит ± (0,1—1) % 112]. Можно с уверенностью утверждать, что увеличение температуры перехода транзисторов приведет к увели­ чению временного дрейфа последних, так как с увеличе­ нием температуры активизируются физико-химические процессы, протекающие на поверхности полупроводни­

ков.

Применение отрицательных обратных связей позво­ ляет нейтрализовать влияние изменения таких параметров транзисторов на выходное напряжение, как / ко, |3. Изме­

нение же напряжения UB э во времени нейтрализовать не

удается. В связи с этим применять транзисторы в звеньях

ИПУ, ИЭС, ПУЭС, СУ, ЗУ и в первых каскадах УПУ

ПСН не рекомендуется. Лучшие результаты в этих звеньях дают интегральные твердотельные микросхемы.

13. ВРЕМЕННАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ТВЕРДЫХ ЛИНЕЙНЫХ МИКРОСХЕМ

Микросхемы, изготовленные по эпитаксиально-пла­ нарной технологии в одном кристалле, при правильном технологическом процессе, и имеющие входной диффе­ ренциальный каскад, обладают принципиально меньшей временной нестабильностью. Объясняется это тем, что в дифференциальной схеме два транзистора, изготовлен­

78

ные по одинаковой технологии из одного присадочного материала при одинаковых внешних условиях и нахо­ дящиеся в процессе эксплуатации также при одинако­ вых условиях, имеют близкую по величине и характеру изменения детерминированную составляющую времен­ ного дрейфа, что обеспечивает на выходе дифференци­ ального каскада ее частичную компенсацию, аналогич­ ную компенсации температурного дрейфа.

Временной дрейф линейных микросхем оценивают аналогично температурному дрейфу.

В соответствии с эквивалентной схемой (рис. 14) ана­ логично (53) можно записать выражение для расчета временного дрейфа, приведенного к входу микросхемы:

Выражение (62) показывает, что при одинаковых ре­ зисторах в базовых цепях входного дифференциального каскада и при одинаковых дрейфах по току обоих вхо­ дов токовая составляющая временного дрейфа отсутст­ вует. Это соответствует идеальному случаю, чего в ре­ альной микросхеме не наблюдается. Однако даже при совершенно одинаковых дрейфах по току микросхемы, если резисторы во входных цепях не равны, будем иметь токовую составляющую дрейфа и тем она будет больше, чем больше разность между резисторами и чем больше эти резисторы по абсолютной величине. Для линейных микросхем также различают детерминированную со­ ставляющую дрейфа и стохастическую. Но, кроме того, эти составляющие обычно раскладывают на токовую составляющую и составляющую дрейфа по напряжению. Например, для микросхемы 1УТ 401Б стохастическая составляющая, или быстрый дрейф по напряжению, равна ~ 50—100 мкв за 30 мин, а детерминированная составляющая ~ 1 мв за 1000 ч. Для этой же микросхемы быстрый дрейф по току оценивается 2—5 на, а медлен­

79