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

существенного колебательного характера импульсов то­ ка і', что может привести к выбросам тока обратной по­ лярности. При достаточно малых С такие выбросы наб­ людаются в реальных схемах.

2.5. Эффекты в области больших токов

Несмотря на большое количество работ ото исследо­ ванию лавинного режима работы транзисторов [16— 111], долгое время оставались не вполне ясными причины, вы­ зывающие резкое отличие эффективного времени проле­ та тгэфф в лавинном режиме от тт в обычном режиме. Например, сплавные транзисторы МП-103, МП 113, П406, П407, часто имеют тгэфф на два-три порядка меньше тт, что первоначально объяснялось обычным эффектом смыкания -переходов [15, 16, 21,31,35, 38, 70]. 'Кирком [36] описан эффект возрастания времени пролета с ростом плотности тока в обычном режиме. В [32, 68, 94] утверж­ дается, что эффект Кирка имеет место и в лавинном режиме работы диффузионно-оплавных транзисторов. Последние исследования [85, 108] показали, что резкое уменьшение тгэфф наблюдается при лавинном режиме работы планарных и особенно планарно-эпитаксиальных транзисторов.

Важное значение параметра ттфф, определяющего быстродействие лавинных транзисторов, требует выясне­ ния причин резкого отличия тГэФф от тт. -Исследования зависимости плавающего потенциала эмиттера от напря­ жения на коллекторе показали, что обычный механизм смыкания переходов при UC< U M наблюдается лишь у небольшой части транзисторов. Совсем недавно обнару­ жен и качественно описан в [108] новый вид сквозного пробоя, обусловленный расширением коллекторного пе­ рехода не с ростом напряжения, как обычно, а с ростом плотности тока коллектора. Этот эффект возможен толь­ ко в лавинном режиме, и в основном именно он вызы­ вает резкое уменьшение времени тгэфф пролета.

Анализ нового эффекта проведем для транзисторов с высокоомной равномерно легированной базовой обла­ стью. Выводы этого, анализа частично применимы и к другим типам транзисторов. Положение базовой грани­ цы Хб коллекторного перехода (рассматриваем п-р-п структуру, типичную для кремниевых транзисторов, у

80

которых обычно наблюдается рассматриваемый эффект) можно определить, решив уравнение Пуассона

Плотность тока J=i/S, где 5 — эффективная 'площадь коллекторного перехода, определяется выражением

J = MPJр + MnJn = Jр -1- Jп -f- Jр(Мр-— 1) + Jn{Mn— 1), (2.97)

где 1р и Jn — плотности составляющих дырочного и элек­ тронного токов 'первичных носителей, JP(MP—1) и Jn(Mn—1) — плотности составляющих дырочного и элек­ тронного токов вторичных носителей.

Первичные носители, входя в переход со стороны со­ ответствующей границы '(дырки со стороны коллектора и электроны со стороны базы), проходят всю область объемного заряда. При прохождении области эффектив­ ного умножения, находящейся вблизи металлургической границы х= 0 между областями р и п, первичные носи­ тели иницируют ударную ионизацию, приводящую к за­ рождению вторичных дырок и электронов. Вторичные дырки, составляющая плотности тока которых равна [(Мр—1)/р+і(М:і—])/„], переносятся в базовую область перехода, а вторичные электроны — в коллекторную. Та­ ким образом, через базовую область перехода дрейфуют первичные дырки и электроны, создающие составляющие Jp и и вторичные дырки. При большой напряженно­ сти поля в переходе скорости дрейфа дырок ѵр и элек­ тронов ѵп можно считать постоянными [12]. Тогда рр и пр определяются из выражений:

Дважды интегрируя (2.100) с учетом обычных для резко несимметричного перехода граничных условий по

81

( 2. 101)

Уравнение (2J101) описывает зависимость хе от со­ ставляющих Jp и /,г плотности тока .первичных носите­ лей с учетом их умножения в лавинном режиме. При П<С‘UM, когда Мр и Мп близки к единице, рассматривая изолированный коллекторный переход и пренебрегая малыми составляющими JP = JPо и Jn = Jno обратного то­ ка перехода, из 1(2.101) получаем известное выражение, определяющее ширину резкого несимметричного пере­ хода,

При развитом лавинном пробое изолированного пе­ рехода Мр^> 1 и М7г3>1. Полагая, что составляющие Jp = Jpо и Jп—Jпо обусловлены обратным током изоли­ рованного перехода, из .(2.101) имеем

намический объемный заряд вторичных дырок, обрат­ ный по знаку объемному заряду акцепторной примеси (qNp), приводит к уменьшению общей объемной плотно­ сти зарядов, расширению базовой области перехода и, следовательно, к уменьшению т Т эфф- В отличие от эф­ фекта Эрли это расширение может быть значительным и привести к смыканию базовой границы с эмиттером и даже омическим контактом базы.

Экспериментально смыкание базовой границы кол­ лекторного перехода с эмиттером легко наблюдать по резкому возрастанию плавающего потенциала эмиттера после пробоя перехода, тогда как обычный эффект смы­

говорит о том, что при снятии статических ВАХ эффект расширения коллекторного перехода не проявляется, что связано с особенностями статических 5-образных ВАХ (токи в предпробойпон области малы, а при больших токах U<§С'УДг).

В релаксационных схемах (рис. 2.6) уже в начале разряда конденсатора С, когда итс^ Ѵм, разрядный ток может превысить значение /Іф. При этом с ростом тока коллектора наблюдается заметное расширение коллек­ торного перехода и сужение эффективной ширины базо­ вой области. Из і(2.101) следует, что в области больших токов этот эффект будет иметь место, если выражение, стоящее в квадратных скобках, больше нуля, т. е. при условии

е»

Таким образом, при -U>UKp рост тока коллектора приводит к сужению активной области базы вплоть до смыкания областей объемного заряда коллекторного и эмиттерного переходов, что в свою очередь вызывает дальнейший рост тока. Процесс приобретает регенера­ тивный характер. Если принять, что активная область базы полностью перекрывается расширяющимся коллек­ торным переходом, то эффективное время пролета хтэфф можно считать равным

(2.107) время пролета тгэфф составляет доли наносекун­ ды. Это и объясняет малые времена нарастания у форми­ руемых импульсов в условиях, когда наблюдается эф­

83

йо растет с ростом U0 (рис. 2.19), а импульсы имеют большое время нарастания и спада. При U o^U w форма импульсов резко меняется: скачком возрастает амплиту­ да, уменьшается время нарастания и епада. Подобные скачки наблюдаются и при Н0 —const, если плавно ме­

нять R H и л и С.

Зависимости £/ц=/р£!н для ряда типов транзисторов показаны на рис. 2.20. Все исследованные диффузионносплавные германиевые транзисторы (Л403, П4Н, П416,

Рис. 2.20. Зависимости амплитуды импульсов U от начального напряжения С/0 для транзисторов различных типов.

П423, ГТ308, ГТ313 и другие ) имеют линейную зависи­ мость U„ от Uо, соответствующую теоретической (2,60). У этих приборов ттэфф~ тг, что свидетельствует о не­ значительной роли эффекта расширения коллекторного перехода. Иногда он проявляется в начале регенератив­ ного процесса, когда и^^і/м, и приводит к более быст­ рому росту тока на небольшом начальном участке перед­ него фронта импульсов (см. форму импульсов, показан­ ную на рис. 2.19 пунктиром).

Эпитаксиальные транзисторы (КТ603, КТ312, КТ315, ГТ338 и др.) имеют разрывной характер зависимости Utt от Uо. При H0< t /b-p эта зависимость хорошо согласуется

85

значения £/кр достаточно хорошо согласуются с приве­

зависимостью (2.60), если предположить уменьшение

и тгэфф, что объясняется описанным механизмом суже­ ния базовой области. Уменьшение Uр связано с тем, что при сужении базовой области коэффициент переноса я—>-1. Кроме того, при смыкании может возрастать эф­ фективность эмиттера у, так как увеличивается перепад удельных сопротивлений областей р-п эмиттерного пе­ рехода (область р обедняется, и ее удельное сопротив­ ление растет). Это приводит к увеличению ао= ху и, следовательно, уменьшению ТУр . Экспериментально об­ наружено, что в условиях сквозного пробоя Сф падает в 1,5—2 раза и для исследованных кремниевых транзи­ сторов с UM= (90— 150) В, Uр = (20—40) В против U$ = = (40—70) іВ в обычных условиях.

'Интересной особенностью ряда транзисторов '(особен­ но планарно-эпитаксиальных) является возникновение S-образных ВАХ при включении с оборванным внешним выводом эмиттера. При этом приборы генерируют мощ­ ные релаксационные колебания. Например, кремниевые планарно-эпитаксиальные транзисторы формируют в та­ ком включении импульсы с амплитудой до 100 В на на­ грузке 75 Ом и до 30 А на нагрузке 0,5—1 Ом при вре­ мени нарастания не более 2—3 нс [108].

Исследования показали, что этот эффект также яв­ ляется следствием расширения коллекторного перехода и его смыкания с эмиттерным переходом, что поясняется рис. 2.21,а. После смыкания переходов рост коллекторно­ го тока приводит к росту напряжения запирающей поляр­ ности на эмиттере. Когда это напряжение достигает на­ пряжения лавинного пробоя эмиттерного перехода (у планарных транзисторов оно не превышает 6—8 В), в периферийных областях последнего возникает лавинный пробой, образуются зоны ударной ионизации и зарож­ даются электронно-дырочные пары (показанные на рис. 2.21,а). Электроны через эмиттерную область переносят­ ся в коллекторный переход, а дырки — в базовую об­ ласть, что приводит к дальнейшему росту тока, и про­ цесс пробоя приобретает регенеративный характер: по­ является S-образная ВАХ (рис. 2.21,6).

86

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ, КОНСТРУКЦИЯ

ИСВОЙСТВА ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

3.1.Конструкция и параметры лавинных транзисторов

Принципиальной разницы в конструкции и структуре специальных лавинных и обычных транзисторов нет. Од­ нако при конструировании лавинных транзисторов при­ ходится применять ряд мер для более успешной реали­ зации потенциальных возможностей лавинного режима, в частности для получения высокого быстродействия и большой амплитуды импульсов [13, 23]. Транзистор, пред­ назначенный для работы в лавинном режиме, должен иметь высокую однородность переходов, устраняющую возможность сильной локализации тока, малое последо­ вательное сопротивление коллектора и выводов, малые паразитные индуктивности и емкости корпуса и малое тепловое сопротивление. По технологическим особенно­ стям лавинные транзисторы могут подразделяться на сплавные, микросплавные, микросплавные с диффузион­ ной базой, диффузионно-сплавные, меза, планарные и эпитаксиальные. Возможна комбинация этих признаков.

Первыми в лавинном режиме были использованы сплавные транзисторы [28, 34, 35]. Основное их достоин­ ство— высокая 'Степень легирования коллектора, позво­ ляющая получать малые значения г'к и большую ампли­

туду импульсов. Однако сплавные транзисторы имеют недостаточно однородные переходы с заметной поверх­ ностной утечкой. Это приводит к нестабильности харак­ теристик транзисторов в лавинной области и в ряде слу­ чаев к невозможности эффективного использования их в лавинном режиме. Повышенные требования к однород­ ности переходов предъявляются к высокочастотным сплавным и микросплавным транзисторам, так как без этого невозможно получить тонкую базу. Поэтому неко­ торые типы современных сплавных высокочастотных транзисторов '(например, транзисторы МП20—МП21, П406, П407 с улучшенной технологией изготовления) имеют удовлетворительную стабильность характеристик в лавинной области.

Особенностью сплавных транзисторов является боль­ шое удельное сопротивление базовой области, приводя-

88

щее к расширению обедненного слоя коллекторного гіехода в основном в сторону базы. Поэтому минимальную ширину базы выбирают таким образом, чтобы в нор­ мальном режиме работы исключить возможность смы­ кания обедненных слоев коллекторного и эмиттерного переходов. У некоторых образцов сплавных транзисто­ ров, например у кремниевых п-р-п транзисторов МП 103, МП113, смыкание может происходить при напряжениях, меньших Uм, что приводит к искажению формы ВАХ и большому разбросу параметров. Однако при этом резко увеличивается быстродействие, что можно полностью реализовать только в приборах специальной конструк­ ции.

Из описанного ясно, что, хотя разработка сплавных лавинных транзисторов и возможна, их конструкция не является оптимальной. Заметно лучшие характеристики в лавинной области имеют лавинные транзисторы с диф­ фузионной базой [21, 32, 68, 78, 86, 93—95]. Наряду со специальными большинство типов современных обычных диффузионных транзисторов имеют стабильные харак­ теристики в лавинной области и могут использоваться в качестве лавинных. Развитие меза, планарной и пла­ нарно-эпитаксиальной технологии заметно улучшило ха­ рактеристики таких транзисторов.

У многих типов диффузионных транзисторов область коллектора легируется слабо. При этом обедненный слой коллекторного перехода при увеличении напряжения расширяется в основном в сторону коллектора. В ре­ зультате обычный эффект смыкания переходов и свя­ занная с этим нестабильность характеристик отсутст­ вуют. Однако высокое удельное сопротивление коллек­ тора приводит к большим значениям г'н, что значитель­

но уменьшает предельную амплитуду импульсов Іртах в релаксационных схемах. Этот недостаток устраняется у эпитаксиальных транзисторов, имеющих слоистую струк­ туру коллектора, состоящего из толстой низкоомной под­ ложки с нанесенной на нее тонкой высокоомной эпитак­ сиальной пленкой. Кристаллическая структура пленки повторяет структуру подложки. Благодаря большому удельному сопротивлению эпитаксиального слоя можно получить высокое напряжение лавинного пробоя при ма­ лой емкости коллекторного перехода. Вместе с тем, так как основная область коллектора — подложка низкоом1на, обеспечиваются малые значения сопротивления г'я

89