книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

почти при одном и том же значении тока коллектора / к > / к р , что может указывать на одинаковый механизм происходящих явлений.

Качественный анализ параметров fr и г'с,Ск, входящих в вы­ ражения (9.14) — (9.16) для коэффициента усиления по мощности, приведенный выше в зависимости от тока коллектора, показыва­ ет, что оба эти параметра существенным образом изменяются при

Особенно большое несоответствие будет наблюдаться в случае, когда транзисторный усилительный каскад работает в классе В или С, которые используются гораздо чаще в связи с тем, что позволяют получить более высокие значения коэффициента полезного дейст­ вия т) (см., например, [77]). Необходимость больших значений т] вызвана энергетическими соображениями. Низкие значения к. п. д. означают уменьшение полезной выходной мощности и увеличение доли мощности, рассеиваемой транзистором и вызывающей его избыточный разогрев. Достижение высоких значений к. п. д. свя­ зано с использованием всех трех областей на семействе выходных характеристик транзистора, т. е. области насыщения, активной области и области отсечки тока коллектора.

Очевидно, это должно приводить к появлению нелинейных ис­ кажений, обусловленных уменьшением усиления по току в об­ ласти насыщения. Далее будет показано, что для мощных СВЧ

новится еще меньше.

В этих условиях расчет коэффициента усиления по мощности становится затруднительным и его действительное значение опре­ деляется экспериментально.

25Q

Соотношение (9.16) тем не менее очень часто используется при разработке конструкции и топологии мощных СВЧ транзисто­ ров, поскольку позволяет оценить относительную роль тех или иных параметров транзистора и получить приближенное значение Кр, которое не слишком сильно отличается от измеренного зна­ чения для реального усилительного транзисторного каскада, рабо­

допущениях, что импеданс эмиттерной цепи пренебрежимо мал

допущение выполняется всегда. Второй сомножитель в этой форму­ ле отражает уменьшение Кр за счет отрицательной обратной связи через пассивную емкость коллектора. С учетом экспериментальных данных, которые показывают, что при переходе от линейного ре­

также использовано для оценки коэффициента усиления мощного транзисторного усилителя, работающего в режиме большого сиг­ нала.

До сих пор нами совершенно не принималось во внимание по­ вышение температуры кристалла с ростом плотности коллектор­ ного тока. В связи с тем, что распределение температуры в попереч­ ном направлении может быть существенно неоднородным, появляет­ ся большая вероятность концентрации тока в очень малой ограни­ ченной области перехода. Появление таких локальных областей с повышенной концентрацией тока, возможно, является еще одним источником аномального спада /г при не очень высоких значениях тока коллектора.

В заключение следует подчеркнуть, что в случае очень высо­ ких частот резко возрастает роль индуктивности эмиттерного вы­ вода. Например, в соответствии с данными, приведенными в работе

фициент усиления по мощности на 10 дБ, что практически неприем­

251

представляет собой полезную мощность, отдаваемую в нагрузку, и зависит от параметров транзистора и используемой схемы.

К основным параметрам, которые определяют мощность, от­ даваемую транзистором на высокой частоте, можно отнести такие [175], как:

К параметрам, характеризующим схему, относится сопротивле­ ние нагрузки R a .

Теоретически максимальная мощность рассеяния транзистора определяется следующим соотношением [181]:

Т—Т

мощности рассеяния зависит от режима работы (т. е. от сочетания величин тока и напряжения) и поэтому не может быть охарактери­

ким значением максимального тока коллектора.

Причиной этого является неравномерное распределение тепло­ вого потока в кристалле транзистора, предназначенного для работы при больших токах коллектора, которое в сильной степени опреде­ ляется значениями рабочего тока и напряжения. Такое неравно­ мерное распределение теплового потока в поперечном направлении транзисторной структуры вызвано концентрацией тока в ограни­ ченной области этой структуры, приводящей к стягиванию актив­ ной части р-п перехода и, следовательно, к возрастанию величины теплового сопротивления R T n - K . Таким образом, формула (9.18) может быть использована только в том случае, когда R T n - « . можно

*' Использование значения теплового сопротивления участка переход— окружающая среда для оценки максимальной мощности рассеяния мощных (в том числе и СВЧ) транзисторов нецелесообразно по причинам, изложенным в работе [165]. Основная из них заключается в том, что с целью обеспечения работы при высоком уровне мощности и лучшего отвода тепла в реальных схемах обычно используют дополнительный внешний теплоотвод, поддержи­ вая тем самым определенную температуру корпуса.

252

так и случайными факторами. К числу постоянно действующих факторов относится, например, падение напряжения на распределен­ ном базовом сопротивлении, приводящее к оттеснению эмиттерного тока к краям эмиттера (эффект эмиттерного вытеснения, см. § 4.1).

Другой причиной, вызывающей неравномерность распределе­ ния тока в транзисторной структуре гребенчатого или многоэмиттерного типа, является падение напряжения вдоль эмиттерной и базовой металлизации, приводящее к тому, что участки перехода эмиттер — база, наиболее удаленные от места приварки проволоч­ ного вывода, будут находиться при более низком напряжении сме­ щения [156, 165]. Таким образом, если топология транзисторной структуры представляет собой набор узких длинных полосок ши­ риной /э = 1—10 мкм, то при малом значении поверхностного со­ противления металлизации плотность тока на конце эмиттерных зубцов будет значительно ниже, чем в их начале. На практике всег­ да подбирают какой-то оптимальный вариант, однако омическое падение напряжения вдоль металлизации по эмиттерному зубцу является дополнительным источником концентрации тока.

Кроме того, как уже упоминалось ранее, существует целый ряд случайных факторов, также приводящих к повышенной кон­ центрации тока в пределах какой-то малой локальной области и еще больше усложняющих общую картину распределения теплового потока в транзисторе. К числу случайных факторов можно отнести такие, как неоднородность фронта диффузии и переходного кон­ тактного сопротивления для отдельных эмиттерных областей, нару­ шения в геометрии структуры или в области р-п переходов, некон­ тролируемые локальные изменения теплового сопротивления и т. д.

253

Рис. 9.9. Зависимость теплового сопро­ тивления «горячего пятна» от напряже­

Такое состояние является крайне неустойчивым и, как правило, приводит ко вторичному пробою — скачкообразному переходу транзистора в режим с малым напряжением и большим током кол­ лектора.

Вопрос о термической неустойчивости и вторичном пробое будет подробнее рассмотрен в следующей главе настоящей книги. Здесь же следует еще раз отметить, что первым непосредственным резуль­ татом концентрации тока в транзисторе является резкое изменение теплового сопротивления /? т п _ к , зависящее от соотношения кол­ лекторного напряжения и тока. В связи с этим отказ транзистора возможен при гораздо меньших уровнях мощности, чем следовало бы ожидать из соотношения (9.18) в предположении постоянного значения і ? т п - к во всем диапазоне токов и напряжений. Величина фактического теплового сопротивления при различных условиях может быть определена косвенным методом, например с помощью измерения зависимости входного напряжения Ua6 от тока коллекто­ ра [182, 183] или измерения квазистатической выходной проводи­ мости при малых приращениях постоянного тока [184, 185].

Другим методом является непосредственное измерение RRN—K в условиях, предшествующих вторичному пробою, с помощью инфракрасной техники [186, 187]. В соответствии с методикой, пред­ ложенной авторами данных работ, температура «горячего пятна», измеряемая с помощью инфракрасного датчика, поддерживалась в диапазоне 200—250° С путем подбора соответствующего коллектор­ ного напряжения при выбранном токе / к . Это позволило создать условия, непосредственно имеющие место перед вторичным пробоем,

*> В частности, показано, что при прямосмещенном эмиттерном переходе более правильным значением температурного коэффициента эмиттерного напряжения ді/э5/дТ является 1,5 мВ/°С, а не 2,0—2,3 мВ/°С, как обычно считали.

254

рячего пятна» от коллекторного напряжения, полученные как с по­

личных участков кривой 1, проведенной авторами работ [186,187]. Для участка AB, обозначенного пунктиром и соответствующего низким значениям напряжения на коллекторе, тепловое сопротив­ ление определяется средней температурой перехода, характери­ зующей равномерное распределение плотности тока в структуре, и может быть определено с помощью классического выражения типа (9.18):

дает с тем, которое определяется путем измерения àUg6, и является именно той величиной, которая обычно приводится в справочных

ших некоторого граничного (порогового) напряжения <7г р , в тран­ зисторе начинается перегрев, приводящий к образованию «горя­ чих пятен». В этом случае резко растет тепловое сопротивление. Для кривой 1, приведенной на рис. 9.9, указанное явление имеет место в диапазоне напряжений 20—30 В при Urp = 26 В; Rm-к на участке ВС определяется формулой (9.19).

На участке CD выше точки перегиба С тепловое сопротивление

где Rrn-к — тепловое сопротивление «горячего пятна», соответ­ ствующее точке С; СУ — коэффициент, характеризующий рост теплового сопротивления от коллекторного напряжения, В - 1 .

Для подавляющего большинства исследованных транзисторов выбранного типа напряжение UD, соответствующее точке D, ока­ залось близким к UKa „ (максимально допустимому пробивному на-

255

пряжению при отключенной базе). Можно, следовательно, считать, что участок CD (интервал средних токов и напряжений от UTp до

токов) характерна еще большая скорость роста теплового сопротив­

вует состоянию транзистора, непосредственно предшествующему вторичному пробою в условиях обратносмещенного эмиттерного

Из всего сказанного следует, что диапазон напряжений, в ко­ тором рассеиваемая мощность ограничивается не возникновением «горячих пятен» и термической нестабильностью, а просто предель­ ной температурой перехода [см. соотношение (9.18)], достаточно мал; в рассматриваемом случае это диапазон напряжений, меньших 20—25 В. При больших напряжениях имеет место существенное огра­

Более резко это проявляется в условиях обратного смещения пере­ хода эмиттер — база. Все вышесказанное относительно изменения касается в первую очередь статического режима работы транзистора. В случае импульсного режима область безопасной работы приборов значительно расширяется. Аналогичная картина имеет место и в динамическом режиме при использовании транзис­ торов в схемах высокочастотных усилителей мощности с отсечкой коллекторного тока, когда явление концентрации тока по площади

структуры значительно ослабляется.

Тем не менее уровень полезной выходной мощности на высокой частоте, определяемый в числе прочих параметров максимально рас­

В заключение следует отметить, что если в структуре нет то­ чек перегрева, то величина теплового сопротивления определяется исключительно способностью транзистора отводить тепло и в связи с этим зависит от характеристик самого кристалла ^транзисторной структурой, от способа крепления этого кристаллад на держатель (ножку), а также от свойств и размеров материалов, используемых при изготовлении держателя и теплоотвода.

При анализе параметра часто используют тот факт, что существует прямая аналогия между потоком тепла в теплопроводя-

256

щей среде и электрическим током в ЯС-цепочке 1140, 188, 189]. Учитывая эту аналогию, можно теоретически определить перепад температуры между р-п переходом (источником тепла) и внешним теплоотводом. Модель распределенного теплового сопротивления представлена на рис. 9.10.

При конструировании прибора необходимо помнить, что зна­ чение Я Т п - к может быть снижено за счет увеличения активной площади перехода, уменьшения толщины кристалла и используемых в составе корпуса материалов, а также за счет правильного подбора этих материалов с точки зрения теплопроводности. В табл. 9.2 представлены значения теплопроводности для некоторых наиболее употребительных материалов [188].

Т а б л и ц а 9.2

Что касается второго из параметров, определяющих отдавае­ мую транзистором мощность на высокой частоте, а именно Ік м а к с , то основное значение имеет, по-видимому, не тот максимальный ток, при котором значительно уменьшается статический коэффициент усиления по току или становится возможным перегорание проволоч­ ных выводов, а критический ток коллектора / к р , характеризующий степень спада усилительных свойств на высокой частоте. Особенно важно значение критического тока коллектора при работе в ниж­ нем диапазоне рабочих частот, когда малая величина / к р приводит к существенному уменьшению | В | и Кр и, следовательно, к преж­ девременному насыщению выходной мощности с ростом Р в х .

Вопросу повышения пробивного напряжения перехода эмит­ тер— коллектор t / к э п р была посвящена гл. 8. Здесь же следует от-

метить, что в случае мощных СВЧ транзисторов резервы повышения уровня с / к э п р путем использования ряда технологических приемов («охранное кольцо» и др.) ограничены в связи с тем, что для улуч­ шения усилительных свойств транзистора на высокой частоте при­ ходится, как было ранее отмечено, уменьшать удельное сопротивле­ ние и толщину эпитаксиальной пленки. Для каждого типа мощных СВЧ транзисторов необходимо прибегать к какому-то компромис­ сному решению. Проблема несколько облегчается в связи со спе­

в которых используются СВЧ транзисторы, как правило, невелико и лежит в диапазоне 6—28 В. Если учесть тот факт, что типичное мак­ симальное напряжение на коллекторе при частотном, импульсном и

литудной модуляцией встречаются случаи [190], когда максималь­ ное коллекторное напряжение превосходит Ек в 4 раза. В работах [190, 191] показано, что мощные СВЧ транзисторы выдерживают, однако, такие выбросы напряжения, так как с повышением час­ тоты напряжение пробоя также возрастает. Известно, что для схемы

m — коэффициент, значение которого для кремниевых транзисторов составляет 2—4.

теризуется неравномерным распределением тока, необходимо учесть

ляющая напряжения, действующего в обратном направлении, получим

Е/кво(вч)= , (9.25)

где и к э о (вч) — пробивное напряжение между коллектором и эмит­ тером в указанных условиях; k — коэффициент, который может

258