7.11. Область безопасной работы транзистора и пути её расширения

О бласть безопасной работы (ОБР) определяет предельно-допустимые параметры: максимальный ток коллектора I_C.max , напряжение U_CE, максимальную мощность рассеяния P_max, максимальную температуру перехода T_j.max в стационарных и импульсных режимах работы. Различают ОБР для прямого смещения и ОБР для обратного смещения эмиттерного перехода. ОБР представляет собой выходные вольтамперные характеристики транзистора в двойном логарифмическом масштабе. Типичная ОБР транзистора для прямого смещения эмиттера в стационарном режиме приведена на рисунке 7.106.

10

1.0 ИМП

Рисунок 7.106 - ОБР транзистора

с прямосмещенным эмиттером

0.1

0.01

0.1 1.0 10 100 1000

0.1 1.0 10 10² 10³ U_CE , В

Область ВС, соответствующая I_C.max , ограничивается электропроводностью внутреннего вывода эмиттера, в частности, контактом эмиттерного электрода с кристаллом. Превышение максимального значения тока коллектора может привести к деградации усилительных свойств, а также катастрофическому отказу – обрыву эмиттера. Область CD ограничивается максимально допустимой мощностью рассеяния P_max или максимальной температурой коллекторного перехода T_j.max. Для стационарного режима:

,

где R_Т – тепловое сопротивление транзистора, Т₀ – окружающая температура. С другой стороны,

; .

На участке CD ток I_C падает по гиперболе с увеличением U_CE (в двойном логарифмическом масштабе линейно с наклоном ). Для кремниевых транзисторов максимально допустимая температура T_j соответствует 150…200 °С. Участок DE определяется тепловой формой вторичного пробоя и имеет наклон более резкий, чем участок, определяемый максимально допустимой температурой кристалла. Эта область ограничена тепловой нестабильностью. При случайной флуктуации температуры (превышение в локальной области) температурная скорость мощности, выделяемой в этом объёме, может превысить температурную скорость отдаваемой мощности, что приводит к включению положительной токо-температурной связи (накопление тепла) и шнурованию тока с выделением большой локальной мощности, приводящей к закорачиванию переходов эмиттер – коллектор либо растрескиванию кристалла из-за термомеханических напряжений. Наконец, последний участок EF ограничен лавинным пробоем.

В импульсном режиме работы с уменьшением длительности импульса при постоянной скважности I_C.max может возрастать в 1,5…2 раза. При этом расширяются области CD и DЕ до прямоугольной конфигурации ОБР (рисунок 7.106). Такое поведение объясняется уменьшением средней мощности и температуры кристалла. С увеличением температуры ОБР будет уменьшаться как по току, так и по напряжению. При температуре, приближающейся к T_j.max, ОБР исчезнет, как шагреневая кожа.

В ключевых схемах с форсированным выключением отрицательным током базы доминирующим механизмом, приводящим к локализации энергии в структуре и сужению ОБР, является токовая форма вторичного пробоя, описанная в предыдущем разделе. При работе на индуктивную нагрузку всегда существует опасность превысить напряжение U_CE0, при котором лавинная генерация становится достаточной для того, чтобы генерировался внутренний обратный ток базы, который вызывает стягивание тока в шнур в центре эмиттера, а затем и вторичный пробой токовой формы, сопровождающийся выделением большой плотности энергии в переходном процессе выключения. С увеличением обратного тока базы или скорости нарастания обратного тока базы площадь шнура уменьшается, а плотность динамического заряда возрастает, что вызывает уменьшение блокирующего напряжения U_CE в переходном режиме. Диаграмма ОБР при отрицательных токах базы показана на рисунке 7.107. Граничное значение I_C.max практически совпадает со значением для ОБР с прямым смещением эмиттера. Однако предельное напряжение U_CE становится меньше, чем U_CE0 и U_BCB. В режиме с отрицательным током базы рабочая точка не может выходить за границу ОБР даже кратковременно из-за малой инерционности входа во вторичный пробой токовой формы.

I_B4

U_CE0 U_BCB U_CE

Рисунок 7.107 - ОБР транзистора при запирании обратным током базы (I_B4>I_B3>I_B2>I_B1)

Следует отметить, что с ростом температуры напряжение входа во вторичный пробой увеличивается, что свидетельствует о не тепловой природе начальной стадии сжатия тока. На средних уровнях тока напряжение уменьшается дополнительно за счет тепловой неустойчивости. Чем шире токовый шнур (I_B1), тем при меньших значениях тока коллектора начинает добавляться сжатие тока, обусловленное тепловым механизмом.

Рассмотрение ОБР биполярного транзистора показывает, что реализация энергетически эффективных высокочастотных импульсных устройств вторичных источников питания и преобразователей лимитируется процессом выключения транзистора. Снижение динамических потерь за счет форсированного режима выключения может существенно понизить надёжность изделия.

Одно из основных направлений расширения ОБР как в прямом, так и обратном смещении эмиттерного p-n перехода заключается в обеспечении малого и стабильного во времени теплового сопротивления R_Т. Технология «посадки» кристалла на кристаллодержатель должна реализовать сплошное покрытие эвтектикой без воздушных каверн всю площадь, чтобы максимально увеличить теплопередачу на корпус прибора. Одним из способов достижения этой цели является ультразвуковая «притирка» эвтектики Au–Si. При выделении импульсной мощности транзистор подвергается термоциклированию, вызывающего усталостные явления в припойном слое, сопровождаемые локальным отслоением кристалла и увеличением теплового сопротивления. Для подавления этого эффекта используются демпфирующие термокомпенсационные вольфрамовые прокладки или устойчивые к деформации слои, например, графитовые диски, структурированные медными волокнами. Графитовая основа обеспечивает стабильный тепловой контакт, а медные волокна – высокую электропроводность.

Второй по важности мерой является реализация необходимого отношения периметра эмиттера к площади базы P_E/S_B для равномерного распределения тока коллектора и мощности. Оценивается по достижению предельной температуры (собственной температуры слабо легированного коллектора) при включении максимального импульсного тока, а также максимальной плотности тока при выключении обратным током базы.

Другой способ обеспечения равномерности распределения тока заключается во включении в эмиттерные полоски балластных сопротивлений либо использование многоструктурной конструкции с запараллеленными эмиттерами и базами, применяемыми в СВЧ - транзисторах. Для переключательных транзисторов для частичной нейтрализации внутреннего обратного тока применяются встроенные в эмиттерные полоски технологические шунты, равномерно расположенные по площади. Они, как в тиристорах и составных транзисторах, повышают устойчивость к тепловым перегрузкам за счет подавления коэффициента усиления B на малых токах (I_CE0 ≈ I_CB0) и увеличивают предельное напряжение в режиме отсечки (U_CER ≈ U_BCB), а также закорачивают внутренний обратный ток базы на эмиттер (ток базы не протекает в поперечном направлении через сопротивление базы и не создает падение напряжения, стягивающего ток эмиттера в шнур). Такие транзисторы имеют нелинейную передаточную характеристику и сравнительно небольшой коэффициент усиления по току.

В высоковольтных транзисторах для расширения ОБР в сторону больших токов используют структуру с двухслойной базой и трехслойным коллектором. Первый слой более сильнолегированной базы предотвращает от локального смыкания, приводящего к стягиванию тока. Между n^– и n⁺ областями коллектора встраивается промежуточный сравнительно высоколегированный слой (~ 5∙10¹⁴ см^–3) толщиной (20…30) мкм. В стационарном режиме отсечки напряжение U_CER блокирует толстый низколегированный n^–-слой. В динамическом режиме при большой плотности тока, приводящей к оттеснении поля к границе n-n⁺ дополнительный слой, блокирует это напряжение (рисунок 7.108). В транзисторных ключах, работающих на индуктивную нагрузку, дополнительную защиту от вторичного пробоя дает стабилитрон, включенный между коллектором и базой мощного транзистора (рисунок 7.109).

В частности, транзисторы электронного зажигания автомобилей работают на индуктивность катушки зажигания, заряжая её во время подачи открывающего тока на базу. Для снижения входной мощности ключ построен по схеме Дарлингтона (VT1, VT3).

По окончанию импульса вторичная обмотка катушки генерирует искру поджига топливной смеси в цилиндре двигателя. В случае если энергия расходуется не полностью, она выделяет напряжение на коллекторе и рассеивается в транзисторе VT3. Для обеспечения безопасного поглощения избыточной энергии между коллектором и базой VT3 включен транзистор VT2 с оборванной базой, имеющей меньшее напряжение пробоя U_CE02 по сравнению с VT1 и VT3 (U_CER). Поэтому при появлении напряжения на коллекторе в базу VT3 втекает значительный прямой ток через VT2, который нейтрализует падение напряжения от внутреннего обратного тока, протекающего по сопротивлению базы и стягивающего ток эмиттера к центру. В результате распределение плотности тока становится равномерным по всей площади эмиттера, и транзистор не входит во вторичный пробой.

C

L

+E

E

R_BE1

R_BE2

VT1

VT2

VT3

VD

B

n⁺⁺

p⁺

p

n^–

n

n⁺

Рисунок 7.108 - Структура высоковольтного Рисунок 7.109 - Схема транзистора с транзистора с трехслойным коллектором защитным стабилитроном

Технологические пути расширения ОБР направлены на обеспечение бездефектной структуры монокристалла с гомогенными свойствами. Для высоковольтных и мощных транзисторов используют кремний, легированный донорами за счет ядерных превращений. Облучение медленными или тепловыми нейтронами трансформирует часть атомов кремния в фосфор (P³¹), так называемый нейтронный кремний. Пространственная неоднородность удельного сопротивления в этом случае не превышает (1…3)%, что на порядок и более ниже, чем у кремния, выращенного по методу Чохральского. Кроме того, технологический процесс должен содержать операции геттерирования быстро диффундирующих примесей, способных генерировать преципитаты, области которых характеризуются повышенной напряженностью поля, инициирующей неоднородность плотности тока.