книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах

в. п. дьяконов

ЛАВИННЫЕ

ТРАНЗИСТОРЫ

И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

В ИМПУЛЬСНЫХ

УСТРОЙСТВАХ

Под редакцией профессора С. Я. НЬаЦ'а

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1973

в импульсных устройствах. Под ред. С. Я. Шаца. М., «Сов. радио», 1973, 208 с.

Книга поовящена изложению основ теоріи,и и схемотех­ ники новых типов быстродействующих полупроводниковых не­ гатронов — лавинных транзисторов. В ней анализируются ста­ тические 5- и А^-образные вольт-амперные характеристики транзисторов в лаівешіом режиме работы и динамические характеристики в переключающих схемах. Описаны принципы построения іи расчета основных импульсных схем с лавинными транзисторами: триггеров, простейших релаксационных гене­ раторов, мультивибраторов, генераторов прямоугольных, пило­ образных и ступенчатых импульсов, схем временной задержки и др. Приведены данные об импульсных схемах повышенной стабильности ,и микроэлектронных схемах на лавинных тран­ зисторах. Описано большое число практических схем.

Книга предназначена для специалистов в различных об­ ластях радиоэлектроники, в частности в импульсной, инфор­ мационно-измерительной ,п вычислительной технике, радиоло­ кации и радиосвязи, ядерной электронике и др. Она может быть полезной студентам старших курсов вузов соответствую щего профиля и подготовленным радиолюбителям.

Рис. 143, табл. 10, библ. 125 иазв.

Редакция радиотехнической литературы.

д 3312-088

46-73

046(01)-73

© Издательство «Советское радио», 1973

От редактора

В основе лавинного режима работы транзисторов лежит фундаментальное явление умножения носителей под влиянием сильного электрического поля, • реали­ зуемого в обратно смещенном коллекторном переходе. Совместно с осуществляемой внутри транзистора поло­ жительной обратной связью между умножающим кол­ лекторным и эмиттерным переходами, это придает тран­ зистору свойства негатрона — прибора, обладающего отрицательным участком вольт-амперной характеристи­ ки. Лавинному транзистору присущ ряд качеств, выгод­ но отличающих его от других негатронов: исключитель­ но высокое быстродействие, возможность схемотехниче­ ского управления параметрами вольт-амперных харак­ теристик, хорошая температурная стабильность, высокая чувствительность к запуску, разделение цепей входа и выхода и др. Поэтому следует ожидать, что ознакомле­ ние специалистов со свойствами этих приборов и мето­ дами их использования в электронных схемах будет спо­ собствовать их широкому применению.

В предлагаемой читателю книге обобщаются разроз­ ненные работы рассматриваемой области, включая су­ щественные результаты плодотворной научно-исследова­ тельской и практической деятельности самого автора. В ней излагаются все важные аспекты рассматриваемо­ го вопроса, начиная от физических основ работы тран­ зисторов в лавинном режиме и кончая техническим при­ менением лавинных транзисторов.

В книге автор рассматривает методы синтезирования различных видов вольт-амперных характеристик лавин­ ных транзисторов, вводя новое для них понятие пусковых характеристик, и дает их аналитическое описание. Рас­ сматривая динамику процессов в лавинных транзисто­ рах, автор описывает обнаруженный им у лавинных транзисторов эффект расширения области объемного за­ ряда коллектора с ростом тока, сопровождающийся

3

уменьшением напряжения на коллекторе. Этот эффект позволил объяснить некоторые ранее необъяснимые яв­ ления (например, аномально высокое быстродействие). Убедительно показано, что надежность схем при работе транзисторов в лавинном и обычном режимах практиче­ ски должна быть одинаковой. Из материалов книги вид­ но, что для работы в лавинном режиме можно исполь­ зовать обычные транзисторы, но все же целесообразнее было бы разработать широкую номенклатуру специаль­ ных лавинных транзисторов: высоковольтных, низко­ вольтных, микромощных и др.

■В книге приводятся многочисленные примеры исполь­ зования лавинных транзисторов. Расчет преобладающе­ го большинства описанных схем дается впервые. Многие из них являются оригинальными разработками автора. Конкретные схемы показывают возможности примене­ ния лавинных транзисторов в электронных схемах, об­ ладающих высокими качествами и простотой структуры.

Можно с уверенностью сказать, что опубликование настоящей книги будет способствовать дальнейшему развитию электронной схемотехники как в теоретиче­ ском, так и в практическом направлении.

Профессор С. Я. Шац

Предисловие

■Смомента появления точечных транзисторов в радио­ электронных устройствах стали широко применяться полупроводниковые приборы с отрицательным сопротив­ лением. Были разработаны специальные приборы, такие как туннельные диоды, тиристоры и другие, нашедшие применение в импульсных устройствах [1—6].

Исследования в области физики полупроводников в сильных электрических полях [7—14] в последнее время привели к созданию нового класса лавинных полупро­ водниковых приборов. Он включает в себя кремниевые стабилитроны, лавинно-пролетные и лавинно-инжекцион- ные диоды, лавинные транзисторы, негатроны с S-образ- ной вольт-амперной характеристикой, управляемые то­ ком, теплом и давлением, полевые лавинные транзисто­ ры и др. Среди них особый интерес представляют бипо­

4

лярные плоскостные лавинные транзисторы, теории и применению которых посвящена данная книга.

Туннельные диоды, обладая высоким быстродейст­ вием, имеют ряд недостатков: низкие уровни рабочих напряжений, неуправляемость вольт-амперными харак­ теристиками, несовместимость с технологией изготовле­ ния интегральных схем и другие. Тиристоры имеют боль- ~шие уровни рабочих напряжений, но значительно мень­ шее быстродействие, чем туннельные диоды [5]. В лавин­ ных же транзисторах большие потенциальные возмож­ ности обычных транзисторов сочетаются с качественно новыми и, по-видимому, не менее важными возможно­ стями негатроноів с S- и У-образной вольт-амперной ха­ рактеристикой. Лавинные транзисторы обладают весьма высоким быстродействием (позволяют формировать импульсы с временем нарастания менее 1 нс), широким диапазоном рабочих напряжений и токов, хорошей уп­ равляемостью 5- и У-образных вольт-амперных харак­ теристик, простотой структуры по сравнению с тиристо­ рами, совместимостью с технологией изготовления инте­ гральных схем, повышенной температурной и радиаци­ онной стабильностью параметров, возможностью опти­ ческого управления и другими полезными качествами.

Применение лавинных транзисторов не только упро­ щает электронные схемы, но и улучшает их технико-эко­ номические показатели. Это достигается не формальной заменой обычных транзисторов на лавинные, что'невоз­ можно из-за различия принципов построения схем, а использованием специфических особенностей лавинных транзисторов, .присущих им как негатронам.

В настоящее время под лавинными транзисторами подразумеваются не только приборы, специально скон­ струированные для работы в лавинном режиме, но и обычные транзисторы, используемые в этом режиме. Последнее вполне целесообразно в техническом и эконо­ мическом отношении, хотя при этом требуется пересмот­ реть действующие нормали и рекомендации по приме­ нению транзисторов. Улучшение технологии производ­ ства транзисторов, в частности переход к планарной и планарно-эпитаксиальной технологии, приводит к стаби­ лизации характеристик транзисторов в лавинном режи­ ме работы и, несомненно, способствует применению Ьбычных транзисторов в качестве лавинных. Поэтому в данной книге термин «лавинный транзистор» в равной

б

мере относится как к специальным, так и к обычным транзисторам, используемым в лавинном режиме ра­ боты.

В схемах нано- и пикосекундной импульсной техники структура обычных транзисторов не вполне приспособ­ лена для работы в лавинном режиме, что затрудняет реализацию его больших потенциальных возможностей. 4

В связи с этим недавно в СССР и за рубежом появились разработки специальных типов быстродействующих ла­ винных транзисторов. Такие приборы в простых релак­ сационных схемах формируют импульсы с временем на­ растания 0,1— 1 не и амплитудой до 15 В и более на со­ противлении нагрузки в 75 Ом. Некоторые транзисторы позволяют при меньшей амплитуде генерировать импуль­ сы с частотой повторения до 200—400 МГц, другие при значительно меньших частотах повторения способны формировать импульсы с амплитудой по напряжению до 100 В на нагрузке 50 Ом или импульсы с амплитудой по току до 50 А на сопротивлении нагрузки в 0,5—1 Ом fl5, 16, 20, 58, 59, 68, 86, 93—95].

Таким образом, специальные лавинные транзисторы вышли из стадии лабораторных разработок. Освоение их серийного производства позволило применить эти транзисторы в некоторых серийных приборах. В СССР,

например, лавинные транзисторы применяются в стробо­ скопических осциллографах 01 -45, С1-60 и блоке С1-15/8 [94, 121].

Большие возможности полезного использования ла­ винного режима работы транзисторов делают настоя­ тельно необходимой широкую информацию о них. науч­ но-технических работников. Последняя, однако, разбро­ сана по многочисленным и разрозненным источникам [7—112].

В данной книге сделана попытка восполнить этот пробел. Ее материал базируется на наиболее важных ре­ зультатах автора [21 и др.] и других исследователей: М. Кея [7, 8], С. Миллера [9], В. Шокли, И. Гиббонса, Д. Гамильтона [14, 28, 29, 62, 63], Е. Барановского [31],

6

Глава i

АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

1.1. Электрический пробой р-п перехода

При увеличении обратного напряжения, приложен­ ного к р-п переходу, наблюдается рост обратного тока. Если это напряжение достигает некоторого критического уровня, нарастание тока происходит очень резко и вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-п перехода приобретает характерный резкий излом. Это явление обычно обусловлено электрическим .пробоем р-п перехо­ да, который может иметь лавинный или полевой харак­ тер. Лавинные транзисторы работают в предпробойной области ВАХ одного из переходов, чаще всего коллек­ торного.

В ряде работ {7—13] было показано, что лавинный пробой перехода обусловлен ударной ионизацией носи­ телей в переходе. Электроны и дырки, дрейфуя в элек­ трическом поле р-п перехода, увеличивают свои скорости и приобретают энергию, достаточную для совершения процесса ионизации при столкновениях с атомами полу­ проводника. При этом образуются вторичные электрон­ но-дырочные пары, растет концентрация носителей в р-п переходе и ток, протекающий через него, увеличи­ вается. При определенных условиях процесс ионизации приобретает лавинный характер и наступает лавинный пробой.

Основной характеристикой лавинного пробоя являет­ ся коэффициент ионизации, показывающий сколько элек­ тронно-дырочных пар образуется при движении первич­ ного носителя на отрезке пути 1 см в направлении поля. Так как первичными носителями, стимулирующими ударную ионизацию, могут являться электроны или дыр­ ки, то различают два коэффициента ионизации: электро­ нов а и дырок ß.

Для упрощения последующего анализа введем сле­ дующие допущения: 1) переход является плоскопарал­ лельным и при заданном напряжении на нем 7/=const

8

характеризуется заданной шириной HP —const; 2) взаи­ модействие зарядов в переходе несущественно; 3) ре­ комбинацией электронов и дырок из-за малого времени пребывания их в обедненном слое можно пренебречь. Кроме того, учтем, что коэффициенты ионизации а и р являются функциями напряженности электрического по-

-ля Е в обедненном слое, а напряженность электрическо­ го поля ^-функцией координаты х. Условимся за л: = 0 принимать координату границы обедненного слоя с об­ ластью /г-типа перехода, а за x —'W — координату гра­ ницы с областью д-типа.

Рассмотрим процесс ударной ионизации в переходе при обратной полярности напряжения U на нем (поло­ жительный полюс внешнего напряжения приложен к об­ ласти п, а отрицательный — к области р). 'Пусть со сто­ роны границы х = 0 в переход вводится некоторое число первичных дырок р0. Дрейфуя в переходе по направле­ нию к границе х = W, первичные дырки стимулируют ударную ионизацию и на своем пути порождают вторич­ ные дырки и электроны. Поэтому в направлении дрейфа дырок общее число их возрастает, при этом увеличива­ ется плотность дырочной составляющей JP(x) общего тока, протекающего через переход.

Допустим, что со стороны другой границы x = W в переход вводится некоторое число первичных электро­ нов п0. Эти электроны на своем пути к границе л:=0 также стимулируют ударную ионизацию. Число вторич­ ных электронов растет в направлении их дрейфа, обрат­ ном рассмотренному для движения дырок. Следователь­ но, в направлении поля (от границы х=0 к x=W ) об­ щее число электронов уменьшается и уменьшается плот­ ность электронной составляющей Jn(x) общего тока.

Общее число носителей одного знака, например ды­ рок, равно сумме первичных носителей и вторичных, об­ разующихся при ионизации атомов полупроводника как электронами, так и дырками. Приращение плотности ды­ рочного тока на некотором бесконечно малом отрезке пути dx за счет ионизации дырками равно ß(x)Jp(x)dx, где ß(x)1— значение ß на указанном отрезке пути (в ре­ зультате зависимости £ от JC величину ß можно также определить как функцию от расстояния х). Приращение плотности дырочного тока за счет ионизации электрона­ ми равно ai(x)Jni(x)dx, где для а(х) справедливо указа­ ние, сделанное в отношении ß(*).

9