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

движением неосновных носителей, инжектируемых в ба­ зу эмиттером и дошедших до обедненного слоя коллек­ торного перехода. С учетом лавинного умножения но-: сителей в коллекторном переходе абсолютное значение тока коллектора равно [13]

эффективность эмиттера, /к0 — обратный ток коллектор­ ного перехода. Из (1.35) следует, что для транзисторов

При постоянном токе коллектора коэффициент лавинно­ го умножения М уменьшается с ростом /э. Поэтому ла­ винные транзисторы в отличие от кремниевых стабили­ тронов или лавинно-пролетных диодов работают при меньших значениях М, редко превышающих 5—10.

Если побочные тепловые эффекты отсутствуют, ла­ винный пробой р-п переходов полностью обратим и не вызывает разрушения полупроводниковой структуры. Однако в некоторых случаях он может перейти в тепло­ вой пробой перехода, который можно избежать, ограни­ чив среднюю мощность, рассеиваемую на переходе.

К числу нежелательных явлений, сопутствующих ла­ винному пробою, относится его локализация в отдель­ ных, большей частью дефектных, участках перехода с пониженным напряжением пробоя. В результате такие участки могут выгореть, если не ограничить протекаю­ щий через них ток. Из опыта известно, что это явление не является настолько угрожающим, чтобы резко сни­ жать надежность приборов. Уменьшение локальных эф­ фектов происходит вследствие конечного сопротивления участков перехода, примыкающих к слою эффективного умножения. Если на каком-либо участке ток увеличи­ вается, то на нем возрастает и падение напряжения и к остальным участкам перехода прикладывается большее напряжение. При этом пробой распространяется на со­ седние участки. С ростом температуры усиливаются теп­ ловые колебания кристаллической решетки полупровод­ ника и сокращается длина свободного пробега носите­ лей. Поэтому для получения необходимой для пробоя интенсивности ударной ионизации следует увеличивать напряжение на переходе. Этим объясняется положитель­ ный знак температурного коэффициента напряжения лавинного пробоя [118].

20

Рост UM с ростом температуры также (Приводит к

уменьшению локальных эффектов. Действительно, если на каком-либо участке увеличивается протекающий че­ рез него ток, то этот участок начинает разогреваться. В результате увеличивается напряжение лавинного про­ боя этого участка и, следовательно, ограничивается про­ текающий через него ток. Таким образом, разогрев де­ фектных участков с пониженным напряжением пробоя приводит к частичному выравниванию напряжений про­ боя іпо всей площади перехода.

Роль локальных явлений особенно заметна при на­ пряжениях на переходе, близких к UM, т. е. при больших значениях М. Лавинные транзисторы работают при сравнительно малых значениях М, что является предпо­ сылкой для повышения надежности.

Наряду с лавинным и тепловым пробоем в узких пе­ реходах наблюдается еще один тип пробоя — полевой или туннельный. Он обусловлен туннельным механиз­ мом прохождения носителей через потенциальный барьер перехода и определяет нижнюю границу рабочих напря­ жений лавинных транзисторов. При полевом пробое так­ же наблюдается резкий рост тока через переход, но при этом нет заметного умножения первичных носителей. Поэтому, как будет видно далее, полевой пробой для лавинных транзисторов обычно нежелателен. При на­ пряжениях и м ниже 5 В для кремния и 2 В для герма­ ния наблюдается полевой пробой, а при более высоких напряжениях — лавинный. Для напряжения полевого пробоя Uz резких переходов известно выражение [Н]

Полевой пробой в сочетании с лавинным часто наб­ людается у эмиттерных переходов диффузионных тран­ зисторов, имеющих малую ширину. У всех транзисторов имеет место лавинный пробой коллекторного перехода, причем MM превышает 20 В. Принципиально можно соз­ дать низковольтные лавинные транзисторы с рабочими напряжениями порядка 7—10 В. Такие приборы очень удобны для согласования с обычными схемами и пост­ роения интегральных монолитных схем на лавинных транзисторах, для которых желательны низковольтные источники питания.

21

1.2. Качественное рассмотрение особенностей ВАХ транзисторов в лавинном режиме

'Умножение тока в коллекторном переходе транзи­ стора, вызываемое ударной ионизацией, приводит к уве­ личению коэффициента передачи тока эмиттера

которые соответствуют дифференциальному отрицатель­ ному сопротивлению. Это позволяет использовать их в простых регенеративных схемах, не имеющих прямых аналогов с обычными схемами на биполярных транзи­ сторах.

Рассмотрим влияние лавинного умножения носите­ лей в коллекторном переходе на ВАХ некоторых схем

включения транзистора, показанных на рис. 1.5. В схе-

22

В схеме оборванной базой начинает сказываться при­ сущая транзистору внутренняя положительная обратная связь, приводящая к увеличению обратного тока кол­ лектора в 1/(1—Мао) раз. Поэтому при .Мао>1, т. е. при критической глубине обратной связи, /-*-оо.

Подставляя М из выражения (1.29), получаем уравне­ ние ВАХ транзистора в этой схеме

Из рис. 1.7 и выражений (1.39) и (1.40) можно сде­ лать вывод, что при обрыве базы пробой происходит при

міишминвні Еавшаюі

■ i i i i l i i a

ИММЯМЯШІ

...........—

а

В этой схеме коэффициент передачи В тока базы при

При включении в цепь базы резистора Въ (рисЛ.5,ѳ) форма ВАХ качественно меняется и у нее появляется участок, соответствующий отрицательному дифференци­ альному сопротивлению (рис. 1.8). Наличие такого уча­ стка обусловлено различием напряжений пробоя в ра­ нее рассмотренных схемах, « 'которым в зависимости от

23

работе транзисторов в лавинной области. -К ним отно­ сятся сквозной пробой транзистора и вторичный пробой (рис. 1.9). Сквозной пробой обусловлен расширением коллекторного перехода при увеличении напряжения на коллекторе. Этот эффект наблюдается у транзисторов с узкой высокоомной базой, вглубь которой и расширяет­ ся коллекторный переход. Если последний смыкается с эмиттерным переходом, то сопротивление базы гб резко возрастает и наблюдается рост тока коллектора. При UM>Vo>iUß часть ВАХ, соответствующая U > U C, отсе­ кается (см. пунктирный участок ВАХ на рис. 4.9). При UC<U$ участок ВАХ, соответствующий дифференциаль­ ному отрицательному сопротивлению, исчезает. На рис. 1.10 показана типичная ВАХ кремниевого сплавного транзистора МіПІОЗ, имеющего Uc больше t/ß,но мень­ ше UM-

Напряжение Uc можно вычислить, приравняв ширину коллекторного перехода со стороны базы минимальной ширине базовой области Для резкого несиммет­ ричного t[il3] и.плавного переходов соответственно полу­ чаем

25

Обычно из-за Неоднородности базовой области Мини­ мальная ширина ее We min бывает меньше конструктив­ ной ширины Wб. Поэтому сквозной пробой часто носит локальный характер и развивается в участках базы с минимальной шириной. Такое явление, вообще говоря, нежелательно из-за возможности возникновения локаль­ ных тепловых эффектов. Однако при сквозном пробое уменьшается активная ширина базовой области, что приводит к повышению быстродействия транзисторов. У некоторых типов транзисторов, например кремниевых сплавных МП 103 или МП 113, при сквозном пробое бы­ стродействие увеличивается на два-три порядка.

Полезное использование эффекта сквозного пробоя возможно при специальной технологии изготовления транзисторов, обеспечивающей высокую однородность базовой области по ширине. Специальные лавинные транзисторы со сквозным пробоем [15, 16] в настоящее время являются наиболее быстродействующими актив­ ными переключающими приборами, обеспечивающими возможность формирования импульсов с временем нара­ стания до 0,01 нс при частоте повторения до 200— 400 МГц.

Значительно меньше изучен вторичный пробой (рис. 1.9,6 и 1.11) транзисторов, приводящий к резкому спаду напряжения на коллек­ торе (до 1—2 В и менее)

при увеличении тока сверх некоторой критиче­ ской величины [17—19]. Таким образом, это явле­ ние представляет опреде­ ленный интерес для улучшения характеристик лавинных транзисторов. Можно предположить

бой: тепловая локализация тока в отдельных участках перехода; локализация тока под действием магнитно­ го поля, «токового шнура»; локализация тока под дей­ ствием радиального электрического поля в базе, обус­ ловленного растеканием тока от центра эмиттерного перехода к периферийным областям базы при лавинном

26

пробое коллекторного перехода [19]; изменение, струк­ туры коллекторного перехода, обусловленное инжекти­ рующими свойствами неидеального омического контак­ та коллектора.

Более подробно вторичный пробой рассматривается в § 3.2. Здесь можно отметить, что у диффузионно-сплав­ ных транзисторов он обычно носит инжекционный харак­ тер и при малых длительностях импульсов не опасен (20, 21, 22]. Имеются данные о полезном использовании вторичного пробоя для уменьшения остаточного напря­ жения лавинных транзисторов, например приборов типа NS1110—NS.Ü116 (86].

Участки, соответствующие отрицательному сопротив­ лению, появляются и у ВАХ других схем включения ла­

рис. 1.12,а такой участок обусловлен тем, что три аоМ>1

5

Рис. 1.12. Схема включения лавинного транзистора со стороны эмиттера (л) и форма ее ВАХ (б).

ток коллектора превышает ток эмиттера. При положи­ тельном токе эмиттера напряжение на нем отрицатель­ но, так как падение напряжения от разности токов кол­ лектора и эмиттера на сопротивлении Re отрицательно. При увеличении токов эмиттера и коллектора падение напряжения на Re увеличивается, а напряжение между базой и коллектором падает, пока не достигнет уровня Ир. Дальнейшее увеличение тока эмиттера приводит к тому, что cto'M становится меньше 1 и приращение тока коллектора оказывается меньшим приращения тока эмиттера. Это соответствует положительному дифферен­ циальному сопротивлению в области больших токов.

27

Для схемы рис. 1.13,а характерна jV-образная вход­ ная ВАХ (рис. 1.13,6). Такая форма ВАХ также объяс­ няется тем, что ток коллектора при ссоМ>і1 больше тока эмиттера. Поэтому три увеличении отпирающего потен­ циала базы ток базы, равный разности токов коллектора и эмиттера, имеет обратную полярность. При увеличении

тока базы растет ток коллектора, в результате чего из-за падения напряжения на сопротивлении RK уменьшается напряжение на коллекторном переходе. В момент, когда это напряжение упадет до уровня Uр, а0М становится меньшим 1 и ток базы меняет полярность. Таким обра­ зом, на входной характеристике формируется участок, соответствующий отрицательной дифференциальной про­ водимости.

Из качественного рассмотрения ВАХ можно сделать вывод, что наряду с обычными ВАХ схемы на биполяр­ ных транзисторах в лавинном режиме имеют как 5-, так и ЛАобразные характеристики. Это придает биполярным лавинным транзисторам универсальность, не свойствен­ ную другим типам полупроводниковых приборов.

Следует отметить, что в рассмотренных схемах все характеристики лавинного транзистора, как будет пока­ зано далее, являются полностью управляемыми, в отли­ чие от ВАХ таких приборов, как например туннельный диод. Это позволяет строить на лавинных транзисторах простые и высокоэффективные схемы.

28

1.3. Анализ и синтез S-образных ВАХ лавинного транзистора со стороны коллектора

■Наличие 5-образных ВАХ со стороны коллектора воз­ можно, если наряду с умножением носителей в коллек­ торном переходе имеет место изменение эффективности эмиттера. Последнее может быть обусловлено нелиней­ ностью сопротивления эмиттерного перехода, приводя­ щей к перераспределению тока коллектора между цепя­ ми эмиттера и базы. Форма ВАХ зависит от схемы цепи базы, наличия сопротивлений в цепи эмиттера и коллек­ тора, а также от характера токовой зависимости коэф­ фициента «о от тока [22].

В обобщенной схеме включения лавинного транзи­ стора со стороны коллектора (рис. 1.14,а) помимо сопро-

М1д(Ѵм)

\ Рис. 1.14. Обобщенная (а) п эквивалентная (б) схемы включения транзистора со стороны коллектора.

ітивления Re, и источника управляющего тока /у включе­ ны нелинейные сопротивления R3(h) и RK(IK), позволяю­ щие получать ВАХ специальной формы.

• В схеме на рис. 1.14,6, эквивалентной изображенной на рис. 1.14,а, транзистор представлен Т-образной схе­ мой замещения по постоянному току, содержащей нели­ нейное сопротивление гэ(Іэ) эмиттерного перехода и ли­ нейные сопротивления лб базы и г' коллектора [120].

Коллекторный переход представлен тремя источниками тока, отображающими механизм протекания тока кол­ лектора. Составляющей тока коллектора, обусловленной 'экстракцией неосновных носителей, инжектируемых іэмиттером, соответствует источник Мао(Ід)Ід, тепловому

1