Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Частота отсечки ~г, определяемая из условия 6~, — — 1 (О дБ), оказалась выше 5 ГГц. Минимальный шум-фактор увеличивается с 1 дБ при 1 ГГц до 4 дБ при 8 ГГц. На рис. 26 приведена зависимость выходной СВЧ-мощности от частоты при современном состоянии технологии биполярных транзисторов 1501. Выходная мощность обратно пропорциональна квадрату частоты, что является результатом ограничения, налагаемого полем лавинного пробоя и предельной скоростью носителей [18! (гл. 10). В импульсном режиме работы иа частоте 1 ГГц Биполярные транзисторы Рис.
25. Коэффициент однонаправленного усиления, коэффициент максимальногоо усиления, коэффициент усиления в схеме с обгцим эмиттером и фактор шума биполярного транзистора, подученного имплантацией ~49). /Р Ф Ф Рис, 26. Зависимость мощности от частоты для современных биполярных СВЧ-транзисторов 150 1. 180 Глава 3 может быть достигнута мощность 500 Вт. В непрерывном режиме получены следующие значения: 60 Вт на 2 ГГц, 6 Вт на 5 ГГц и 1,5 Вт на 10 ГГц, С развитием новых способов и технологических процессов следует ожидать трехкратного повышения предельных параметров по сравнению с полученными в настоящее время. З.4.
МОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ЗА.1. Распределение температуры и балластное ,сопротивление эмиттера Мощные транзисторы проектируются для использования в усилителях мощности и регулирования высоких напряжений и больших токов. При разработке мощных транзисторов основное внимание уделяется абсолютным величинам рассеиваемой мощности и ограничениям работоспособности из-за вторичного пробоя. При описании СВЧ-транзисторов в разд. 3.3 особое внимание уделялось частоте отсечки и коэффициенту усиления по мощности.
Однако между мощными транзисторами и СВЧ-транзисторами нет четко очерченной границы, так как произведение мощности на частоту в основном ограничено параметрами материала 1181. В мощных транзисторах с увеличением рассеиваемой мощности повышается температура переходов Т;. Максимум Т, ограничен температурой, при которой в базе достигается собственная проводимость полупроводника. При температуре, превышающей Т„ прибор перестает раоотать как транзистор из-за короткого замыкания между коллектором н эмизтером. Для улучшения характеристик транзистора последний необходимо помещать в корпус с хорошим теплоотводом, обеспечивающим эффективное рассеяние выделяемого при работе тепла.
Чтобы получать большие уровни мощности, необходимо пра- вильно выбрать ширину полоски эмиттера 5 и толщину базы транзистора В'„. В мощных транзисторах также используют встречно-штыревые и многоэмиттерные структуры (рис. 22). Это позволяет пропускать через них большой ток и распределять его более равномерно. На рис. 27, а и б приведены распределения тока и температуры вдоль половины перехода эмиттер — база транзистора (ширина полоски эмиттера составляет 250 мкм) для четырех различных условий смещения [51). Полная входная мощность во всех слу- чаях одинакова (60 Вт).
Отметим, что при высоких напряжениях и малых токах (кривые А и Б) ток концентрируется в центре полоски, где наблюдается также очень сильное повышение температуры. При низких напряжениях и больших токах (кривая Г)- ток концентрируется вблизи края эмиттера (эффект вытеснения Бипояярные транзисторы 181 9 ЮРР ~~ гаР ~ 2РРР Е 7РРР ~~ 7РРР ГРР ЮР ю ~~ аР $ 1РР жР РР 7Р 1РР 7Ю Рассатся ~ие, млм Р Р ЫР Я 15 7РР 1~Ы Расстсяние, мкм а Рнс. 27.
Изменение плотности тока (а) центра перехода змиттер — база [51]. и температуры (б) с расстоянием от (87) где 1зо — постоянная, не зависящая от температуры; Ея — ширина запрещенной зоны при температуре перехода Т;; ҄— температура окружающей среды; К„, — тепловое сопротивление. На рис. 28 приведены экспериментальные результаты (светлые кружки), которые хорошо согласуются с расчетными кривыми, полученными по формуле (87) [сплошные линии), При малых бал- эмиттера), а повышение температуры в центре полоски намного слабее.
Следовательно, работа при высоких напряжениях и малых токах сопряжена с более сложными тепловыми условиями. Для улучшения равномерности распределения тока во встречно-штыревом и многоэмиттерном транзисторах добавляют распределенное эмиттерное сопротивление Кя которое ограничивает любое нежелательное увеличение тока через отдельный эмиттер. Такие последовательно включенные резисторы называют стабилизирующими резисторами или балластными эмиттерными резисторами.
На рис. 28 (вставка) приведена схема включения балластного резистора Кв. Коллекторный ток в этой схеме [52) определяется выражением у 7 1 нюруп — Ч1с [(Йв + Ге)1и+ та (11сс — 1) — Ед (Т7)1 1 и= зоехр) Й (Та+ Йи1с~'с) а7 ПГ ПН ПЮ О~ ПЫ- 1О 1а 6~,т, ~ Рис.
28. Зависимость коллекторного тока от напряжения при различных балластных эмиттериых резисторах Ян. На вставке приведена эквивалентная схема с Ив ~52!. ластных резисторах (менее 0,74 Ом) и при высоких плотностях тока дифференпнальное сопротивление АР,гг!И становится отрицательным, а ток — неуправляемым. Если Дк достаточно велико, транзистор абсолютно устойчив, так как дифференпиальное сопротивление поло>кительно.
3.4.2. Вторичный пробой Использование мощных транзисторов и других полупроводниковых приборов часто ограничивается явлением, называемым вторичным пробоем, признаком которого служит резкое снижение напряжения на приборе с одновременным внутренним шнурованием тока.
Об этом явлении впервые сообщили Торнтон и Симмонс !53 1, и с тех пор оно широко изучается при исследовании мощных Биполяриые т'ранзисторы Рис. 29. Вольт-амперные характеристики транзистора в режиме вторичного пробоя для двух значений температуры [56). й,Х й б й Ю Ж 4р 5Р Ю 7р Ж7 30 асс полупроводника вых приборов ! 54, 55).
Транзисторы большой мощности должны работать в условиях безопасного режима, при которых мала вероятность возникновения вторичного пробоя. Особенности вольт-амперной характеристики транзистора в режиме вторичного проооя показаны на рнс. 29 (56). Когда напряжение, приложенное между эмиттером и коллектором, превышает величину, определенную формулои (44), происходит лавннный пробой (первичный пробой). При дальнейшем повышении напряжения наступает вторичный пробой. Экспериментальные результаты позволяют в общем случае выделить четыре стадии вторичного пробоя: на первой стадии наблюдается нестабильность тока прп напряжениях, близких к пробивному; на второй стадии происходит переключение из области высокого в область низкого напряжения; третья стадия характеризуется возрастанием тока при низком напряжении; четвертая стадия соответствует разрушению прибора (буква Р на рис.
29). Возникновение нестабильности вызвано в первую очередь температурными эффектами. Когда на транзистор поступает достаточно мощный импульс Р = 1с Вашего, вызывающий вторичный пробой, последний наступает с некоторой задержкой во времени. Это время называют временем включения вторичного пробоя. На рис. 30 приведена типичная зависимость времени включения вторичного пробоя от величины мощности приложенного импульса при различной температуре окружающей среды (571. Для определенного времени включения т существует температура включения вторичного пробоя Т,„, под которой следует понимать температуру «горячих» точек в момент, предшествующий лавинному пробою.
Вели- 184 Глава 8 г у~' ~,г-з а к ы л ю Мощность импульса, стт Рис. 30. Зависимость времени включения вторичного пробоя от мощности приложенного импульса при различной температуре окружающей среды 1571. (89) где С, — постоянная. Подставляя выражение (88) в формулу (89), получим и ехр [ — — ~т„— тЗ1. С, (90) Температура вторичного пробоя Тг, зависит от различных параметров и геометрии прибора. Для большинства кремниевых диодов и транзисторов температура Тг, соответствует той температуре, при которой концентрация носителей собственного материала и; равна концентрации примеси в коллекторе (рис.
12, гл. 1). «Горячие» точки обычно располагаются вблизи центра прибора. Величина Тг, изменяется в зависимости от концентрации примеси в коллекторе, а отношение постоянных С,~С, определяется геометрией прибора. Поэтому время включения вторичного пробоя, зависящее экспоненциально от этих параметров (формула (90)), сильно колеблется для разных приборов. За пределами области нестабильных токов напряжение на приборе резко падает. В течение этой второй стадии вторичного пробоя сопротивление точек локального пробоя резко уменьшается. На третьей стадии (стадии низкого напряжения) полу- чина Тг„связана с мощностью импульса Р и с температурой окружающей среды Т, следующим соотношением: Т~. — То = СгР> (88) где С, — постоянная.
Из рис. 30 видно, что при фиксированной температуре соотношение между мощностью импульса и временем включения приблизительно равно т — ехр ( — С,Р), Биполярнви транзасаорв~ ои Ю Б1сво ~~~~ Ъ,~ Рис, 31, Область безопасной работы транзистора 1581. (91) где Р— рассеиваемая мощность. Следовательно, тепловой предел ограничивает максимально допустимую температуру перехода: т ,„„,— т (тсХ рсе)маис (99) проводник находится при высокой температуре, а вблизи точек пробоя становится собственным полупроводником, При дальнейшем возрастании тока точки пробоя начинают плавиться и наступает четвертая стадия — разрушение прибора. Для защигы транзистора от постепенного разрушения необходимо установить область его безопасной работы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
