книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах
.pdfв. п. дьяконов
ЛАВИННЫЕ
ТРАНЗИСТОРЫ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В ИМПУЛЬСНЫХ
УСТРОЙСТВАХ
Под редакцией профессора С. Я. НЬаЦ'а
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1973
'[НО-ТЕХНИЧЕ.СКАК , |
||
'bl.'l T FY U M U F П Н і |
||
о |
TFHjf- о е |
г р |
УДК 621.382.39 |
|
|
Д Ь Я К О Н О В В. |
П. Лавинные |
транзисторы и их применение |
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],
Н. |
Куроянаги [15] |
и |
других |
за |
рубежом и работы |
А. |
С. Тагера [12], С. |
Я. |
Шаца |
и В. |
Г. Пикулика [30, 34, |
6
35, 60, 61, 97], Ю. А. Кузнецова {32, 68, 93, 94] -и друМВс в СССР.
Вопросы, рассмотренные в гл. 1,2 и 3, представляют интерес не только для специфичной схемотехники лавин ных транзисторов, но и для анализа многих обычных схем: высоковольтных ключей, схем с индуктивной на грузкой и других. Они могут использоваться и при раз работке новых полупроводниковых приборов. В гл. 4 и 5 описывается ряд наиболее эффективных импульсных схем, отражающих современный уровень развития схе мотехники лавинных транзисторов. Приведены данные интегральных, низковольтных и микромощных схем на лавинных транзисторах, которые можно рассматривать как будущий этап развития схемотехники лавинных по лупроводниковых приборов. В заключении намечены не которые пути развития данного направления. Возмож ности создания оптически управляемых лавинных тран зисторов и оптронов рассмотрены в приложении.
Автор благодарен канд. техи. наук Ю. А. Кузнецову и инженерам А. С. іКострюкову и В. И. Босому за сот рудничество на различных этапах работы.
Особую признательность автор выражает д-рам техн. наук, профессорам Я- С. Ицхоки, Л. А. Моругину и С. Я- Шацу за ценные советы, сделанные ими при про смотре, рецензировании и редактировании книги, д-ру техн. наук, профессору И. Л. Каганову и сотрудникам кафедры «Промышленная электроника» Смоленского филиала Московского ордена Ленина энергетического института, оказавшим помощь автору в исследованиях и работе над книгой.
Бее замечания и пожелания по книге просьба нап равлять в издательство «Советское радио» по адресу: Москва, Главпочтамт, п/я 693.
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