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

умножения фототока Уф в М раз, так и внутренней положительной

транзисторов предельная частота усиления в линейном режиме мо­ жет достигать 1—30 ГГц (большие значения для приборов со сквоз­ ным пробоем) {125], а время переключения в нелинейном режиме до­ ходит до 1— 10 нс и менее. Наряду с оптическим сохраняется воз­

можность электрического управления.

Конструктивной особенностью лавинного фототранзистора яв­ ляется светочувствительная площадка базы и прозрачное окно в кор­ пусе. Свет, воздействуя на эту площадку, вызывает фотоионнзацшо носителей, приводящую к росту обратного тока Іка(Е) коллекторного

перехода, причем

Іко(Е) — Л<о4- К е Е,

где Ке — интегральная фоточувствнтельность перехода, пропорцио­ нальная площади светочувствительной площадки, и Е — освещен­ ность. Подставляя вместо І ко І Ко(Е) в соответствующие формулы

гл. 1, можно получить уравнения оптически управляемых ВАХ и све­ топусковых характеристик лавинных фототранзисторов.

Наряду с непосредственным оптическим управлением (рис. П.1,а) возможно косвенное управление от внешних фотопрнемников: фото­ диодов (рис. П.1,б и в), фототранзисторов, фоторезисторов и др.

Рис. П.1. Схемы оптического управления: прямого (а) и косвенного от фото­ диодов (б, в).

При этом уменьшается быстродействие, но появляется возможность увеличения чувствительности к управлению, получения различных спектральных характеристик и применения серийных приборов. Уве­ личение чувствительности обусловлено оптимизацией структуры фстоприемника и лавинного транзистора, которая упрощается при раз­ делении функций приборов.

Параметры опытных образцов лавинных фототранзисторов при­

няется от 0,9 максимального значения до полного исчезновения па­

дающего участка ). Опытные образцы выполнялись на ба­

зе обычных транзисторов, структура которых далеко не оптимальна для такого применения (мала площадь светочувствительной пло­ щадки). Поэтому приборы имели небольшие значения К е - Тем не

190

менее, благодаря внутреннему усилению, рабочие уровни освещенно сти Е достаточно малы. Они падают при увеличении \Rв и уменьше

иии / ко. Поэтому наиболее перспективными следует считать кремни евые планарно-эпитаксиальные лавлніные фототранзисторы. При внешнем оптическом управлении уровни освещенности составляют десятки люкс при управлении гер­ маниевыми іи доли— единицы люкс при управлении кремниевыми ла­ винными тр анзистор ами (данные приведены для случая, когда уп­ равление осуществляется от крем­ ниевого фотодиода ФД-9К в схе­

мах, подобных рис. 'ПЛ,f?). Оптическое управление от све­

тодиода позволяет выполнить на олтически управляемых л аівиниых транзисторах' оптроны — негатро­ ны с тальванически развязанной цепью управления (рис. П.З). При

Рис. П.2. Семейство ВАХ германиевого лавинного диффузионно-сплавного фо­ тотранзистора (— -—эксперимент).

15 мА для германиевых ін в мА для кремниевых лавинных фотот.ран-

обычных транзисторов, оптически управляемые лавинные транзисто­ ры и оптроны являются многофункциональными активными прибо-

191

Заключение

Разработка, исследование и применение лавинных полупроводниковых приборов является новым перспек­ тивным направлением, возможности которого трудно пе­ реоценить. В настоящей работе рассмотрена лишь часть

импульсных схем. Уже в настоящее время быстродейст­ вие лавинных транзисторов достигло предела, когда оно ограничивается монтажом схем. Дальнейшее повышение быстродействия требует уменьшения длины монтажных соединений и логически приводит к необходимости раз­ работки микросхем. Поэтому перспективным направле­ нием схемотехники лавинных транзисторов является создание микроэлектронных, в частности, интегральных схем (77, 91, 92, ПО].

Для микроэлектроники лавинный транзистор пред­ ставляет большой интерес и в связи с его большими функциональными возможностями. По существу лавин­ ный транзистор является типичным функциональным прибором. Очень важно, что технология изготовления лавинных транзисторов полностью совместима с техно­ логией изготовления интегральных схем, а высокая культура технологии последних позволяет легко полу­ чить высокую стабильность основных характеристик кремниевых лавинных транзисторов.

Определенный интерес представляет разработка низ­ ковольтных лавинных транзисторов и других приборов, имеющих рабочие напряжения, типичные для обычных схем. Опыт показывает, что схемы на низковольтных приборах имеют ряд дополнительных преимуществ, таких как высокая температурная стабильность, эконо­ мичность и др. Уже в настоящее время имеются отдель­

193

ные разработки таких низковольтных схем с напряже­ нием питания менее 10 В, в частности описанные в дан­ ной книге.

Следует особо выделить проблему создания микромощных схем. В настоящее время созданы триггеры на интегральных лавинных транзисторах с потребляемой мощностью во включенном состоянии менее 0,3 мВт и ждущие релаксационные генераторы со средней потреб­ ляемой мощностью 0,02 мВт. Это принципиально дока­ зывает возможность построения весьма экономичных схем, что также представляет интерес для микроэлект­ роники.

Много новых возможностей открывает применение специальных типов лавинных полупроводниковых при­ боров, использующих некоторые новые физические эффекты. К таким приборам, например, относятся поле­ вые лавинные транзисторы, у которых, эффект поля используется для управления напряжением лавинного объемного [88] или поверхностного [87] пробоя р-п пере­ хода. Такие приборы, в отличие от обычных биполярных или полевых транзисторов, эквивалентны управляемому напряжением источнику э.д.с. Они сочетают свойственное

области пробоя, и имеют высокое быстродействие (гра­ ничная частота до 10 ГГц).

Развитие полевых лавинных полупроводниковых при­ боров в будущем может привести к существенному об­ новлению элементной базы современных ЭВМ. В последние годы, например, были разработаны лавинно-инжекционные запоминающие МОП-структуры (ЛИЗМОП) [92], обеспечивающие запоминание двух стабильных состояний при выключении источников пи­ тания. Время запоминания доходит до 10 лет и более.

ЛИЗМОП-структуры подобны полевым МОП-тран- зисторам с улучшенной изоляцией затвора, которая достигается исключением внешнего вывода затвора, и специальными технологическими мерами. В этом случае удается реализовать в полной мере эффект зарядовой памяти. В зависимости от того, имеются или нет на зат­ воре неподвижные заряды, прибор между стоком и " истоком имеет большое или малое сопротивление. Эти два состояния сохраняются при приложении к прибору

194

Напряжения, Не Превышающего некоторой критической величины (таким образом можно реализовать динами­ ческое или статическое считывание информации с ЗУ).

Отсутствие внешнего вывода от затвора затрудняет введение на него зарядов, обеспечивающих зарядовую память. Эта проблема решена в ЛИЗМОП-структурах путем использования эффекта лавинной инжекции за­ рядов. Если приложить между стоком и истоком импульс напряжения, превышающий критический уровень (уро­ вень записи), то в цепи затвора развивается лавинный пробой, при котором возникают вторичные носители заряда. Оседая на затворе эти носители приводят к на­ коплению заряда, обеспечивающего память прибора. Стирание накопленных зарядов осуществляется, напри­ мер, рентгеновским или световым облучением. В настоя­ щее время созданы экспериментальные образцы прибо­ ров, у которых стирание производится импульсом нап­ ряжения, поданным на дополнительный электрод.

ЛИЗМОП-структуры и микромощные лавинные интегральные переключающие и триггерные схемы обла­ дают высокой степенью интеграции. Так, например, в [91] сообщается, что при использовании лавинных струк­ тур достигнута плотность упаковки элементарных ячеек ,на подложке, позволяющая на одном кристалле пло­ щадью 3,1 мм2 выполнить оперативное ЗУ с емкостью 2000 бит. В [92] сообщается, что на базе ЛИЗМОП-струк- тур выпускается долговременное ЗУ с емкостью 2048 бит и временем доступа к информации от 500 до 800-нс. ЛИЗМОП-структуры рассматриваются как возможные заменители магнитных элементов ЭВМ.

Новым направлением является разработка оптоэлект­ ронных схем на лавинных полупроводниковых прибо­ рах. Это направление базируется на возможности весьма эффективно управлять формой вольтамперных харак­ теристик лавинного транзистора, непосредственно воз­ действуя на его структуру светом [79,111]. Лавинные фототранзисторы, отличаясь весьма высоким быстродей­ ствием и хорошей чувствительностью,-по-видимому, спо­ собны решать проблему создания сверхбыстродействую­ щих оптоэлектронных ключевых схем. Можно управлять формой вольт-амперных характеристик и спомощью обы­ чных фотоприемников: фотодиодов, фототранзисторов, фотосопротивлений и др. При этом появляется возмож­ ность согласовать приборы по спектральным характерис-

195

Тйкам и оптймйзйровать структуры. На базе лавйнйьіх транзисторов и фототранзисторов целесообразно созда­ вать оптроны, позволяющие обеспечить глубокую раз­ вязку между цепями управления и выходными цепями электронных схем.

Вероятно, в ближайшем будущем получат примене­ ние и другие типы лавинных полупроводниковых прибо­ ров с неэлектрическим управлением. К ним относятся лавинные негатроны, управляемые давлением [90], ла­ винные термотранзисторы, датчики ионизирующего из­ лучения и др.

Для формирования мощных импульсов большой интерес представляет эффект регенеративного роста то­ ка в р-п переходе, у которого расширение области объем­ ного заряда при лавинном пробое ограничено эмиттером или омическими контактами [108]. Такие приборы могут формировать импульсы с амплитудой до 100 В и более на нагрузке 75 Ом при времени нарастания около 1 нс. Подобные результаты, по-видимому, могут быть получе­ ны при использовании лавишю-инжекционных диодов, имеющих р-і-р или п-і-п структуру.

Таким образом, можно констатировать, что потен­ циальные возможности лавинных полупроводниковых приборов чрезвычайно велики, но, к сожалению, еще далеки от широкого использования. Многие из приборов не вышли из стадии лабораторных исследований. На пути к их серийному производству стоит ряд сложных научно-технических проблем. Безусловно, что их реше­ ние будет содействовать существенному прогрессу в радиоэлектронике и других областях науки и техники, использующих достижения полупроводниковой электро­ ники.

I

Сп а с о к л и т е р а т у р ы

приборы с отрицательным сопротивлением. М.—Л., «Энерпия», ІІ9.70.

5.С т е п а н е н к о И. іП. Основы теории транзисторов и тран­ зисторных схем. М., «Энергия», 1973.

6.Управляемые .полупроводниковые вентили. Пер. с англ. Под

лавинного с эффектом смыкания полупроводникового триода типа ECL— 1239. «.Кэпню .дзицуёко хакаку».

«Electr. Commun. Lab. Techn. J.», 1969, v. 19, 14, p. 1051.

17.Second breakdown. A comprehensive Review. — «PIEEE», 1-967, V. 55, № 8, p. .12-72,

197

ttiode of transictor operation.— «t RE trans.», 1Öé8, v. EÖ-5, № i,

p.6.

20.А л и - 3 а д e іГ. А., Д ь я к о л О'В .В. Л., А л и - 3 а д е Д. Г. Возможное™ л перспективы -применения лавинных транзисторов. — «Радиотехника», 19.69, т. 24, № 5, е. 26.

і23. 'Расчет и проектирование полупроводниковых приборов. Пер. с англ. (Под ред. .Глебова Г. Д. М., Обо-ронпиз, ІІ9.63.

24. Д ь я к о н о в іВ. П., А л и - З а д е Д . Г. (Вольтамперная ха­ рактеристика лавинного транзистора со стороны эмиттера. — «Докла­

транзистора при наличии ударной ионизации в коллекторном пере­

зисторов с диффузионной базой. — іВ км.: Полупроводниковые при­

„«Электросвязь», 4964, № 5, с. 46.

36. П и к у л и к В. Г., Ш а ц С. Я. Ла-вииные свойства промы ленных сплавных маломощных транзисторов. — «Радиотехника», 1965,

лавинных транзисторах. — «Известия вузов СССР. Приборострое­ ние», 1969, т. XII, № 8, с. б.

198

38. Д ь я к о н о в В. іП. Лашшіные транзисторы со сквозным пробовм ів иапосекундных импульсных схемах. — «Приборы и техника эксперимента», 1969, № 3, с. 214.

43.Д ь я к о н о в В. Л. Транзисторный генератор прямоугольных «аносекундных импульсов регулируемой длительности. — «Приборы

итехника эксперимента», .1968, № б, с. 101.

44.Д ь я к о н о в В. П. іГенерато.р прямоугольных импульсов ма­ лой длительности. Авт. свидетельство СССР № 262157. — «БИ», 1970, № 6.

46.Д ь я к о н о в і В . П. /Релаксационные генераторы на лавинных транзисторах с низкой частотой повторения импульсов. — «.Известия аѵзов СССР. Приборостроение». 1969, т. XII, № іб. с. '16.

46.Д ь я к о н о в В. Л. .Применение лавинных транзисторов ів ге­

нераторах пилообразного напряжения и схемах временной задерж ­ ки. —■«Известия вузов СССР. (Приборостроение». 1970, т. ХЛІ, № 11,

напряжения. — .«/Приборы и техника эксперимента », 4965, № 2, с. 90. 49. Д ь я к о н о в В. П. Генератор равностуненчатого напряже­ ния на лавинных транзисторах с плавно регулируемой -амплитудой ступенек. — «(Приборы я техника эксперимента», 1970, № б, с. 94.

60. А л и - 3 а д е Г. А., А л и - 3 а д е Д . Г., Д ь я к о н о в В. П. Управляемый генератор линейно-ступенчатого напряжения на лавин­ ных транзисторах. — «Известия вузов GCOP. Радиоэлектроника». 1969, т. XII, № 111, с. 1307.

51-. Д ь як он о® В . Л., Ш а р и ф о і в Ч. А. Квантователи нели- ■нейно-изменяющегося напряжения на приборах с 5-образной вольт-

199