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

При достаточно тонкой эпитаксиальной области она мо­ жет '.полностью перекрываться обедненным слоем кол­ лекторного перехода. При этом ослабляется влияние сдвига границ коллекторного перехода с ростом плотно­ сти тока коллектора, так как низкоомная подложка ве­ дет себя как барьер, препятствующий перемещению обедненного слоя. Такая мера позволяет также умень­ шить г'к и увеличить амплитуду импульсов.

Разработанные в СССР лавинные транзисторы ГТ338 (А—іВ) [93—95] представляют собой высокочастотные германиевые меза-диффузионно-сплавные эпитаксиаль­ ные транзисторы типа р-п-р. Конструкция этих транзи­ сторов разработана для получения высокого быстро­ действия.

Низкоомная подложка 1 (рис. 3.1, р=0,002 Ом-см3) лавинного транзистора выбрана достаточно толстой (по­

вглубь эпитаксиального слоя так, что ширина высокоом­ ной области коллектора Wc составляет всего « 2 мкм (см. распределение примесей на рис. 3.2). Площадь кол­ лекторного перехода равна Ä I 10~4 см2, что позволяет по­

лучить емкость коллекторного перехода менее 2 пф при

Травление поверхности транзистора для образования меза-структуры проводится на глубину, несколько пре­ вышающую толщину эпитаксиального слоя. В резуль-

9U

тате вне активной области он отсутствует. .В месте вы­ хода коллекторного перехода на поверхность образует­ ся характерная фаска — поверхность, расположенная

Рис. 3.2. Распределение концентрации акцептор­ ной ЛГд и донорной ЛГд примесей в структуре

лавинного транзистора.

под углом к вертикальной оси. Такая мера уменьшает вероятность поверхностного пробоя коллекторного пе­ рехода.

■По своим малосигнальным параметрам лавинные транзисторы близки к параметрам высокочастотных транзисторов ГТ313, в корпусе которых они выполнены [93—95]. Однако благодаря эпитаксиальной структуре они имеют значительно меньшее остаточное напряжение при насыщении, не превышающее 0,25 В при токе кол­ лектора 10 мА и токе базы 3 мА. Максимально допусти­ мая мощность рассеивания транзисторов составляет 100 мВт, а тепловое сопротивление /?г = 0,43°С/мВт. Ам­ плитуда импульсов тока в лавинном режиме не должна превышать 1 А. Работоспособность транзисторов в ла­ винном режиме сохраняется в очень широком темпера­ турном диапазоне от —'196 до +90° С, хотя нормируется диапазон температур от —40 до +50° С.

Малая ширина 'высокоомной области коллектора су­ щественно уменьшает вредное влияние эффекта Кирка [36]. Предельная частота лавинных транзисторов в обычном режиме падает до 50— 100 МГц при токе кол-

91

лектора, равном «4-00 мА. Например, у неэпитаксиаль­ ных транзисторов ГТЗ'ІЗ fr при таком токе падает до 20 МГц и ниже.

Таким образом, отечественные лавинные транзисторы имеют высокие технические характеристики как в лавин­ ной области, так и в области низких напряжений, где они успешно могут использоваться в обычных схемах. В схемах релаксационных генераторов '(типа изобра­ женных на рис. 2:6) лавинные транзисторы на 75-омной нагрузке формируют импульсы с амплитудой до 10—40 В и временем нарастания порядка 0,5—0,8 не. Транзисто­ ры могут использоваться в сверхбыстродействующих схемах с частотой повторения импульсов выше 100 МГц.

Высокое быстродействие и еще лучшую температур­ ную стабильность могут иметь кремниевые 'планарноэпитаксиальные лавинные транзисторы. Процесс эпитак­ сиального наращивания на кремнии разработан гораз­ до лучше, чем на германии, и позволяет получать более тонкие и однородные эпитаксиальные пленки. Это осо­ бенно ценно при разработке лавинных транзисторов, ис­ пользующих эффект смыкания переходов, лавинных тран­ зисторов со сквозным пробоем и низковольтных лавинных транзисторов интегральных схем.

Один из японских кремниевых лавинных транзисто­ ров со сквозным пробоем — ECL-1239 [16] имеет тол­ щину эпитаксиального слоя 4 мкм. Змиттерный переход его залегает на глубине 1,5 мкм, а толщина базы состав­ ляет 0,5 мкм. Статический коэффициент передачи базо­ вого тока ß = 100, [т = 880 МГц и Сс=^1 пФ. 'Расчетное напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода

быстродействии специальных типов лавинных транзи­ сторов. Следует отметить, что параметры лавинных тран­ зисторов со сквозным пробоем пока далеки от потен­ циально возможных (потенциальное быстродействие оце нивается в 0,01 нс ф15]). Недостатком их является значи­ тельно меньшая амплитуда импульсов, чем у транзисто­ ров с большим напряжением смыкания UC> U M-

Основными параметрами лавинного режима работы транзисторов являются; напряжения пробоя \JM,

92

UCj величина показателя п в формуле Миллера, эффек­ тивное время 'пролета т г з ф ф -и последовательное сопро­

тивление J?T (ом. § '1.3). Из параметров обычного режи­ ма важны обратные токи переходов /к0 и /э0, коэффи­ циент передачи тока эмиттера а0; предельная частота fT и емкость Сне коллекторного перехода. Учитывая связь между этими параметрами и параметрами импульсов в релаксационных генераторах, можно в качестве основ­ ных характеристик использовать последние, приведен­ ные для типовой схемы релаксационного генератора (рис. 2.6).

Параметры различных типов отечественных и зару­ бежных специальных лавинных транзисторов приведены в табл. 3.1 [93, 95].

Параметры некоторых типов обычных транзисторов в лавинном режиме работы приведены в табл. 3.2. Там же приведены параметры типичного кремниевого транзи­ стора микромощных интегральных схем іМТ-4 [77].

Для тех транзисторов, которые исследованы в боль­ шом количестве '(порядка 50 шт., и более) в табл. 3.2 проставлены границы разброса параметров. іВ эти гра­ ницы укладывается '80% от общего числа транзисторов. Остальные данные получены при исследовании неболь­ шого числа транзисторов порядка 5—10 шт. и являются ориентировочными.

3.2. Надежность лавинных транзисторов

Одной из причин, затрудняющих использование ла­ винного режима работы транзисторов, является слабая изученность некоторых вопросов физической и эксплу­ атационной надежности. Зтр особенно проявляется на нынешнем этапе развития схемотехники лавинных тран­ зисторов, когда в качестве последних часто используют­ ся обычные транзисторы.

Помимо общих причин, снижающих надежность вся­ кого транзистора, в лавинном режиме потенциально воз­ можны дополнительные причины ухудшения надежности:

1)возможность дополнительной локализации тока из-за неравномерного пробоя коллекторного перехода;

2)разброс лавинных параметров, слабо контроли­ руемых в процессе производства обычных транзисторов;

3)возможность возникновения вторичного пробоя;

4)температурная нестабильность характеристик.

9 3

9-!

95

Рассмотрим, насколько сущесРве-Нно влияние этих причин на работоспособность транзисторов в лавинном режиме. Существует ряд причин, приводящих к наруше­ нию однородности коллекторного перехода (например, неравномерность концентрации примесей по площади перехода). Это приводит к тому, что в отдельных де­ фектных участках перехода напряжение лавинного про­ боя оказывается меньшим, чем в других, бездефектных участках. Степень дефектности того или иного участка

участков, UMh— напряжение лавинного пробоя дефект­ ного і/е-го участка.

Разделим мысленно структуру лавинного транзистора

■Поскольку нас интересует только дополнительная ло­ кализация тока из-за неравномерности лавинного умно­ жения, то будем считать, что плотность потока первич­ ных носителей, входящих в коллекторный переход, оди­ накова по всей площади перехода. Тогда ток, вытекаю­ щий из некоторого /-го участка перехода, после умно­

При однородном пробое все коэффициенты умножения Мі—Мт 'были бы одинаковы и равны М/. Если пробой неоднороден, то через участки разбиения протекают раз­ личные токи:

m— 1

96

Коэффициенты лавинного умножения равны

Л'І(і- т) = {1 -[^/С/Лк.-,„)]'іГ 1={1-[г7/^ѵі(1-б)]пГ 1. (3.6)

(Введем понятие о (коэффициенте локализации тока, равном отношению плотности тока в некотором дефект­ ном k-м участке к плотности тока в бездефектном 1-м участке,

Очевидно, что для бездефектного J-ro участка 6= 0. По­ этому из (3.6) и (3.7)

l-(UluMk)n I — [£//£/« (!—®)]" ’

Обобщенная зависимость /гд от UI-UM приведена на рис. 3.3. Из (3.8) следует вывод, что величина &л никог­ да не превышает величины коэффициента лавинного ум­ ножения в дефектном уча­ стке. Поэтому заметная ло­ кализация тока наблюдает­ ся при работе только в тех областях ВАХ, где Мь. за­ метно превышает 1.

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента локализации тока при неравномерном умножении носителей в коллекторном переходе от напряжения на нем:

Кривая / рассчитана при о =0; 2 — при (7=0,02; 3 — при (7=0,05 и 4 — при а =0,1.

При /У-нНм/, !гл—>оо. Это говорит о том, что при на­ пряжении, близком к напряжению лавинного пробоя де­ фектного участка U M h, ток может почти полностью лока­

лизоваться в дефектном участке. Если при этом абсо­ лютная плотность тока велика, то возможен прожог та­ кого участка и выход транзистора из строя. Этим, в ча­ стности, объясняется низкая надежность многих обыч­ ных схем при повышении рабочего напряжения.

Принципиально иная картина имеет место в боль­ шинстве устройств на лавинных транзисторах, исполь­ зующих ВАХ с дифференциальным отрицательным со­ противлением. Особенностью таких ,ВАХ является то, что напряжение на транзисторе, близкое к пробивному, имеет ійіесто только при малых токах, протекающих че­

рез транзистор (вблизи, например, максимума U^ S-об­ разной ВАХ со стороны коллектора). При этом абсолют­ ная плотность тока, протекающего через дефектные уча­ стки, весьма мала и даже при большой величине /ел от­ сутствует возможность прожога этих участков. По мере увеличения тока напряжение на транзисторе уменьша­ ется, что ведет к уменьшению kn. Таким образом, на участке отрицательного сопротивления имеет место ав­ томатическое выравнивание плотности лавинного тока в отдельных участках по мере роста общей плотности то­ ка. Это обстоятельство объясняет потенциально повы­ шенную надежность лавинных транзисторов при работе в импульсных схемах.

В импульсных схемах максимальное значение тока

Это выражение показывает, что в наиболее тяжелом для работы таких схем случае дополнительной локализацией тока из-за неравномерности лавинного умножения мож­ но практически пренебречь, так как Ал ~ 1.

Следует отметить, что проделанный анализ характе­ ризует крайний случай. В действительности, даже при U-+-U,мк Ал всегда конечен. Объясняется это наличием ряда причин, ограничивающих локализацию тока и не учтенных при анализе. Одна из причин заключается в растекании тока от дефектных участков с повышенной плотностью тока к близлежащим бездефектным участ­

Из сказанного видно, что выгорание дефектного уча­ стка коллекторного перехода у лавинных транзисторов мало вероятно. Поэтому на надежность влияют те же факторы, что и при работе в обычном режиме. Однако следует иметь в виду, что неравномерность пробоя мо­ жет привести к уменьшению напряжения LJ'^ в макси­

муме 5-образной ВАХ и появлению нестабильности ВАХ в этой области. Поэтому контроль напряжения U^ необ­

ходим в производстве лавинных транзисторов.

Другой причиной снижения надежности является раз­ брос напряжений лавинного пробоя ІІМ и U^, вызываю-

98

щип разброс .параметров импульсных схем. Хотя у боль­ шинства обычных транзисторов .напряжения UM и

нс всегда контролируются, это не означает, что они могут иметь 'произвольные значения. Объясняется это тем, что напряжения UM и t/p зависят от ряда элек­ трофизических параметров транзисторов, которые влия­ ют и на обычные параметры, например на обратные то­ ки переходов, величину а0 и другие, которые в условиях серийного производства обычных транзисторов жестко контролируются.

Исследования большого числа обычных транзисторов показали существование явной связи между разбросом обычных и лавинных параметров. Чем уже нормы на разброс обычных параметров, тем меньше разброс пара­ метров лавинного режима. Характерно, что, например, разброс напряжений <UM и Up у некоторых типов обыч­ ных транзисторов ;(іП416Б, П414Б и др.) с хорошо отра­ ботанной технологией меньше разброса соответствующих напряжений у специальных типов лавинных транзисто­ ров. Из гистограмм напряжений UM и Up для диффу­ зионно-сплавных транзисторов П416Б и П414Б, а также для сплавных транзисторов МП20 (рис. 3.4) видно, что

сплавных транзисторов П416Б ( а ) н сплавных МП21 (б).