книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах
.pdf3.4. Особенности работы в лавинном режиме кремниевых планарных транзисторов
іВ настоящее время наиболее перспективны планар ные ,и планарно-эпитаксиальные кремниевые транзисто ры. Они являются важнейшим активным элементом ин тегральных схем. Прецизионная фотолитография и диф фузионная технология 'позволяют в едином технологи ческом процессе изготовлять до нескольких сотен при боров, что удешевляет их и снижает разброс парамет ров. Ряд достоинств планарных транзисторов обуслов ливает целесообразность их -применения в лавинном ре жиме. Характерной особенностью планарных кремние вых транзисторов является хорошая защита переходов изолирующей пленкой двуокиси кремния. Это резко сни жает поверхностную рекомбинацию носителей, умень шает обратные токи переходов .и стабилизирует ВАХ на участке пробоя. Планарные транзисторы имеют ничтож но 'малые обратные токи переходов (порядка долей на ноампера) и малую зависимость коэффициентов переда чи а и В от тока.
В ряде работ [18, 64, 69] рассматривается возмож ность использования кремниевых лавинных планарных транзисторов в микрорежиме при токах колектора около 1м«А и меньше. В обычном режиме работа при таких токах неэффективна из-за резкого уменьшения а. Простая формула, описывающая зависимость а от тока, предложена в [М2]
а (/э) = а„/Р/(Г + /Р ), |
(3.26) |
где коэффициент ряв0,9-=-3,2 зависит от характера по верхностной провдимости эмиттерного перехода; пара метр Г ж (I—10)-ІО-7 А характеризует эффективность эмиттерного перехода.
При работе в лавинном режиме а возрастает в М раз н может иметь близкие к единице значения при токах эмиттера менее 1 мкА. Из рис. 3.16 видно, что близкое к Up остаточное напряжение на транзисторе можно по лучить при токе коллектора порядка 10—45 мкА, что на два порядка меньше, чем у диффузионно-сплавных гер маниевых транзисторов. Это говорит о возможности по строения микромощных переключающих и триггерных схем на планарных транзисторах.
ПО
Особый интерес представляют разработка низко вольтных лавинных полупроводниковых інегатронов. Один из таких приборов — лавинно-рекомбина'цио'нный диод (ЛРД) — имеет структуру планарного транзисто ра, у которого отсутствует внешний вывод базы. 5-об
разная ВАХ у ЛРД получается за счет действия двух эффектов: лавинного умножения носителей в коллектор ном переходе и рекомбинации, создающей зависимость а(І) в эмиттерном переходе. Уравнение ВАХ ЛРД опи сывается выражениями (1.56) и |(3.26).
В качестве низковольтных ЛРД могут использоваться инверсно включенные обычные планарные транзисторы [77, 110]. В инверсном режиме коллектор выполняет функции эмиттера. Такой «эмиттер» имеет большую пло щадь, чем «коллектор», что усиливает роль рекомбина ционных процессов, Лавинное умножение носителей наб людается при напряжениях пробоя эмиттерного перехо да более 4—6 В, т. е. когда пробой носит лавинный ха рактер (рис. 3.17). Сравнительно большое отношение U^IUM объясняется малым значением ао~ 0,3 —0,6 в ин
версном включении.
Интересной особенностью инверсно включенных пла нарных транзисторов и ЛРД является высокая темпе ратурная стабильность іВАХ. Например, у транзисторов КТ317 напряжение в точке максимума ВАХ U ' « 7 4 -8 В меняется всего на 50— 100 мВ в диапазоне —80--- Ь65°С.
Ш
ВАХ сохраняет свою форму при нагреве до температур около 250°С. Эта особенность объясняется ничтожными обратными токами переходов и близким к нулю темпе ратурным коэффициентам 'напряжения .пробоя UM (.при (/м~'6-н7 В механизм пробоя является лавишо-поле- вым, что объясняет малые значения температурного' -ко эффициента напряжения пробоя).
Таким образом, тіа базе планарных транзисторов мо гут выполняться шгкромощные схемы, которые легко реализуются в интегральном пополнении. Низковольт ные приборы позволяют строить схемы с рабочими на пряжения,мп, 'согласующимися с напряжениями обычных
интегральных |
схем. |
При этом можно |
построить пере |
||
ключающие схемы |
с |
потребляемой |
мощностью менее |
||
0,1 мВт на ячейку |
и |
релаксационные |
с потребляемой |
||
мощностью менее 0,01 мВт. |
токов и напряже |
||||
Наряду с |
уменьшением рабочих |
||||
нии 'Планарные, особенно планарно-эпитаксиальные, кремниевые транзисторы 'имеют преимущества при пост роении генераторов мощных импульсов. Это связано с возможностью получения больших -напряжений UM (до 200 В и более) и малых сопротивлений г'к. Особенности
работы планарных транзисторов в релаксационных схе мах были описаны в § 2.5.
Г л а в а |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
П Р |
И Н Ц И П Ы |
П О С Т Р О Е Н И Я |
и |
Р А С Ч Е Т А |
О С Н О В Н Ы Х |
||||
И М |
П У Л Ь С Н Ы Х |
С Х Е М |
Н А |
Л А В И Н Н Ы Х |
Т Р А Н З И С Т О Р А Х |
||||
4.1. Двухстабильные схемы на лавинных транзисторах
Основная двухстабильная схема на лавинном тран зисторе (рис. 4.1,с [37]) может использоваться для по лучения перепадов напряжения или тока. В первом слу чае нагрузка включается параллельно лавинному тран зистору, а во втором — последовательно с ним. На эквивалентной схеме триггера (рис. 4.1,6)
е к экв = еддян + я«); якэкв = я„ад„ + к і (4Л)
Расчет триггера сводится к определению парамет ров схемы по известным значениям сопротивления и ем-
112
кости нагрузки или отдаваемого в нагрузку тока. При этом следует учитывать, что устойчивость включенного состояния лавинного транзистора существенно зависит от тока, протекающего через транзистор.
Рис. 4.1. Принципиальная ( а ) н эквивалентная (б) схемы триггера.
Выбор транзистора производится по величине тре буемого перепада выходного напряжения или тока. Ори ентировочно целесообразно принять
и ш х < и 'р — и ^ , / г,ых< Р доп/С/р . |
(4 .2 ) |
При расчете допустимой мощности рассеивания следует учитывать, что она зависит от температуры окружающей среды Т:
РД.ОП= (Ртах— T)lRt, |
(4-3) |
где Ттах — максимально допустимая температура пере хода, Ri — тепловое сопротивление транзистора.
Лавинный транзистор, применяемый в схеме тригге ра, должен обладать ВАХ с возможно более резким спа дом напряжения на коллекторе при увеличении тока. Желательно, чтобы уже при токе ^ 1 —2 мА напряже ние на коллекторе падало до значения, близкого к U
Это требование удается выполнить далеко не всегда. Большое остаточное напряжение ухудшает устойчивость включенного состояния транзистора и уменьшает пере пад выходного напряжения. В настоящее время для триг герных схем подходящими являются диффузионно-сплав ные и планарные транзисторы, имеющие большое зна чение do и слабую зависимость «о от тока. К ним отно сятся транзисторы П403, П422, П423, П416А, П416Б, ГТ320А, ГТ320Б и др. Выпускаемые, отечественной про мышленностью специальные лавинные транзисторы име-
ПЗ
ют характеристики, оптимальные для работы в релак сационных схемах, но практически они мало пригодны для использования в триггерных схемах из-за потери устойчивости при весьма малых емкостях нагрузки Сн, сравнимых с паразитными монтажными емкостями. Хо рошими характеристиками для работы в триггерных схе мах обладают интегральные кремниевые планарные транзисторы с относительно малым UM.
Для сохранения .работоспособности триггера при мак симальной температуре Ттпх окружающей среды следует задаться запирающим током Іе, исходя из условия (3.25). Напряжение Ев можно выбирать любьим, но же
лательно, чтобы выполнялось условие |
|
|||||
|
|
|
д б > 5Дэб. |
(4.4) |
||
Тогда для расчета Re |
можно |
попользовать |
выражение |
|||
Re |
Ев |
_ |
|
5иэб |
(4.5) |
|
ів |
~ |
ікот |
^ Т~20°ѵ • |
|||
|
|
|||||
Обычно для всех типов транзисторов условие (4.4) вы полняется при £ б ^ 2 В. Диод Дв, устраняющий пробой эмиттерного перехода, необходим, если выбранное зна чение Ее превышает напряжение пробоя эмиттерного пе рехода. Последнее у диффузионных германиевых тран зисторов не превышает (1,5—3) В, а у кремниевых до ходит до (5—6) В.
Ток коллектора / КВыкл и напряжение на коллекторе Пкбыкл выключенного лавинного транзистора рассчиты ваются по формулам:
7квыцл |
А<0 [R1экв/Д(аі£)П]J |
(4.7) |
U KВЫКЛ |
Д к Экв Д ВЫКЛИК Экв- |
(4.6) |
|
Наихудшие условия при работе триггера получаются при 7ко= До max, т. е. при наивысшей температуре окружаю щей среды.
Током Iк вкл включенного транзистора рекомендуется задаться, учитывая, что большая величина его улучшает устойчивость, быстродействие и нагрузочную способ ность триггера, однако ухудшает его экономичность. По требляемая триггером мощность во включенном состоя нии равна
Дютр Ец1кВКЛ* |
(4-5) |
|
Обычно /вых~/квкл, |
поэтому При Выборе / К ВИЛ |
можно |
использовать условие |
(4.2). |
|
ІИ
Остаточное напряжение U0ст на включенном лавин ном транзисторе находится из уравнения (2.4), что при
/ко = 0
и о с г = = и м У 1 — к0 (1 + /б /^ к вкл)- |
(4-9) |
Напряжение питания Ек выбирается из условия
ЕМтin R> Екэкв > и ОСТ* (4.10)
При расчете следует учитывать разброс UM и Ек, а так же температурный дрейф напряжения Uм. Последнее сле дует рассчитывать для минимальной температуры окру жающей среды в соответствии с формулой (3.14). Ориен тировочно
£ к э к в « ( 0 ,7 - 0 ,9 ) г 7 Мі |
(4.11) |
Я[< ЭКВ= (ЕкЭкв U0CT)/IKBKJ |
(4.12) |
Если нагрузка включена последовательно с лавинным транзистором и достаточно мала,-можно считать, что Е Кзкв = Е к и R Kэкп= Я к . Если нагрузка включена парал
лельно, то, используя уравнения (4.1), нетрудно, при заданном Ян найти RK и Ек. Перепады напряжения и тока, обеспечиваемые триггером, уточняются из выра жений
Я ВЫХ |
UKвкл |
Uості |
(4.13) |
Я Ь ! Х = |
7 К В к Л |
ІкВ Ы К Л - |
(4.14) |
Емкость нагрузки триггера Сп должна удовлетворять условию устойчивости ( 2 . 4 1 ) , где следует брать Я — Я к экв
и учесть, что C =(C M+ Ch). Из-за большего значения 'Якэкв, при использовании диффузионно-сплавных тран
зисторов быстродействие триггера определяется в основ ном параметрами схемы, а не быстродействием транзи стора. Постоянные времени включения и выключения могут быть рассчитаны из выражений
Твкл Сн(я т + я Н поел) + т т Э фф, |
(4.15) |
Т-выкл — ERR k3kb, |
(4.16) |
а длительности фронтов импульсов на коллекторе, при включении и выключении триггера — из выражений
^ « 2 , 2 ^ , |
|
(4.17) |
4ыкл~ 2,2твыкл. |
- |
(4.18) |
115
(4.19)
(4.20)
В ряде случаев условие устойчивости (2.41) полу чается невыполнимым. Однако при любом значении Си устойчивость обеспечивается, если рабочая точка будет располагаться на участке ВАХ с положительным диффе ренциальным сопротивлением. Такой участок можно сформироваать, если выполнить условие
R,н поел |
(4.21) |
При этом остаточное напряжение на коллекторе лавин ного транзистора несколько возрастает из-за падения напряжения на сопротивлении РиПослЗначение Uocт определяется выражением
и о с т U M у 1 <хо(1 Ь / б/ / к вкл) И- ( / к вкл Аз) поел- ( 4 . 2 2 )
Улучшить ВАХ лавинного транзистора в схеме триг гера можно, включив кремниевый диод Д а в цепь эмит тера. Иногда в этом случае (при Дб~Ю ч-50 кОм) мож но отказаться от источника смещения Е&. Однако такой вариант триггера имеет пониженную температурную ста бильность и может работать при температуре не более 45—50°С (при использовании гермаииевыхтранзисторов).
Проведя расчет для различных значений Як и Ек, можно построить зоны работоспособности триггера (рис. 4.2). Эти зоны определяют крайние значения Як и Ек, при которых еще возможен двухстабильный режим. Расчеты показывают, что при Е6 = 0 зона работоспособ ности получается минимальной. Действительно, увели чение Râ, выгодное для уменьшения Uоот, приводит в то же время к уменьшению U^ и значительному ухудше
нию температурной стабильности. Максимальная зона работоспособности обеспечивается при большом Яб^ЬО кОм и при Ео>0.
Рис. 4.2,а соответствует схеме, в которой £6 = 0, а Де равно 1 и 5 кОм. Из него хорошо видно, что увеличение Яб улучшает один параметр схемы (Uо с т ) И- в то же
время ухудшает другой (Т^). Так как Е1{ должно быть меньше Ug (иначе транзистор будет включаться само произвольно), то увеличение Я6 при Еб = 0 практически
116
не |
увеличивает |
Е |
зоны |
В |
работоспособности. |
В |
схеме с |
||||||
RQ— ЗОО к |
О |
м |
и |
б |
= 6 |
(рис. |
4.2,6) удается |
получить |
|||||
зону |
|
|
|
|
|
|
намного шире. Почти -такую же |
||||||
зону |
работоспособности |
||||||||||||
можно |
получить |
и при Еб = 0 и і?б= 39 кОм, |
если |
||||||||||
в цепь |
эмиттера включить |
кремниевый |
диод |
Д223 |
|||||||||
(рис. 4.2,е). Однако такая схема, как уже указывалось, имеет худшую температурную стабильность.
Триггерные схемы на лавинных транзисторах выгод но отличаются своей простотой, так как содержат всего один транзистор. При использовании диффузионно сплавных транзисторов можно получить перепады на пряжения до 20—30 В и тока до 2—10 мА. Работоспо собность схемы сохраняется при колебаниях Ек на ±30% и в широком диапазоне изменения сопротивления RK. При Спл;100 пФ время нарастания импульсов при включе нии транзистора составляет примерно 20 не, а при вы ключении— около 100 нс. Таким образом, по быстро действию триггеры на лавинных транзисторах заметно
117
превышают триггеры на динисторах и тиристорах [5, 6]. Преимуществом последних, однако, является значитель но меньшая величина Uocr и отсутствие' нестабильности во включенном состоянии. Параметры триггерных схем можно значительно улучшить при разработке специаль ных транзисторов, особенно низковольтных с UM ~ я»10-М5 В и ао^О,99. Однако в настоящее время та кие транзисторы не выпускаются.
Триггер на лавинном транзисторе является состав ной частью многих импульсных схем: генераторов пря моугольных импульсов, схем временной задержки, уп равляемых ключей переменного тока и др. Самостоя тельное применение триггера на лавинном транзисторе, например, как основного элемента пересчетных и запо минающих схем ЭВМ, пока ограничено присущими ему недостатками: большим ІІ0Ст, критичностью к разбросу параметров транзисторов и др. В значительной .степени этих недостатков лишены микромощные триггеры, вы полненные на интегральных кремниевых планарных ла винных транзисторах. Основным достоинством послед них является возможность работы при малых (порядка 15—20 мкА) токах во включенном состоянии, что позво ляет создать триггеры с потребляемой мощностью во включенном состоянии менее 0,3—0,5 мВт.
4.2. Релаксационные генераторы
Лавинные транзисторы очень удобны для построе ния разнообразных релаксационных схем. Релаксацион ные генераторы на лавинных транзисторах могут рабо тать в автоколебательном и ждущем режимах, генери ровать импульсы любой полярности в широком диапа зоне амплитуд, частот повторения и длительностей 120, 21, 30, 34, 38, 39, 43—47, 56—64].
Основные варианты релаксационных генераторов, ра ботающих в автоколебательном режиме и использующих 5-образную ВАХ лавинного транзистора, приведены на рис. 4.3. В схеме рис. 4.3,а конденсатор С заряжается через резисторы RK и RU^.RK и быстро разряжается че
рез лавинный транзистор и нагрузку RB. В схеме рис. 4.3,6 заряд С происходит только через резистор RB. Включение нагрузки в цепь коллектора или эмиттера определяется требуемой полярностью выходного им пульса.
118
В схемах рис. 4.3,виг конденсатор вначале быстро заряжается через лавинный транзистор и резистор Ra, а затем медленно разряжается через резистор Ra (и RB в схеме рис. 4.3,в). В ходе разряда напряжение на лавин-
ff |
S |
6 |
г |
Рис. 4.3. Схемы |
релаксационных генераторов, |
использующих |
5 -образную ВАХ |
со стороны коллектора. |
|
||
ном ’гранзиісто'ре возрастает, и, как только достигает уровня Uß , последний вновь включается и конденсатор заряжается.
Для работы в автоколебательном режиме рабочая точка лавинного транзистора должна располагаться на участке, соответствующем отрицательному дифференци альному сопротивлению. Это возможно только в том случае, если выполняется условие
(£к - Uß)iRK> |
или (Дк - t g /Дз > / ; , |
(4.23) |
где 1'к — ток в точке максимума ВАХ. Эта точка должна быть неустойчивой.
При любой емкости конденсатора С необходимо, что бы отрицательное дифференциальное сопротивление ла винного транзистора превышало по модулю сопротивле ние нагрузки
1До I Ra-. |
(4.24) |
При Дн<(100-ь200) Ом условие (4.24) всегда выпол няется в пределах средних токов коллектора, допусти мых с точки зрения рассеиваемой на транзисторе мощ ности.
Изменяя величину сопротивления RK или iR3, можно в широких пределах менять частоту повторения импуль сов. Кратность такой регулировки определяется допусти мыми значениями зарядного тока, ограниченного сопро-
119