Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Формула (4.50) дает хорошую точность в быстродействую­

щих схемах, где емкость нагрузки имеет малую величину.

Если нагрузочная емкость велика, то время спада напряже­

ния на выходе вычисляется по той же формуле (4.50), но оно бу­ дет больше времени нарастания тока. Суммарное время tзд + tнр = = tвкл есть время ВIUIЮчения. Для уменьшения величины вклю­

чения tвкл необходимо уменьшать величины Сэ бар' Ск бар' Сю tпр

и увеличивать параметр р.

По окончании процесса включения (момент t = t 3 , см.

рис. 4.23, г) ток коллектора ограничен величцной Iкнас' но в ба­

зовой области в этот момент накоплен избыточный заряд, ха­ рактерный для активного режима, а в коллекторе накапливает­ ся заряд электронов, соответствующий режиму насыщения,

т. е. в рассматриваемых условиях в коллекторе транзистора по

сравнению с активным режимом накапливается избыточный

заряд неосновных носителей.

При t = t 4 входное напряжение мгновенно изменяется от зна­

чения +Sш до -&'в2 (см. рис. 4.23), в цепи базы появляется отри­

цательный ток Iв2 = Sв2/R1 при &'в2 » Ивэ· Этот ток вызывает по­

нижение напряжения ЛИвэ на базе из-за изменения напряже­

ния на сопротивлении базы на величины ЛИвэ = Uш - Iв2)rf,.

Большой положительный базовый ток образуется накопленными

в базе в режИ:ме насыщения неосновными носителями (дырками).

Эмиттерный и коллекторный переходы будут открыты до тех

пор, пока избыточные неосновные носители у границ переходов в

базе не уменьшатся до нуля. Таким образом, пока избыточные

носители у границ переходов в базе существуют, ток коллекто­

ра остается равным Iкнас' а выходное напряжение равно Икэнас·

Интервал времени между t4 и моментом, когда напряжение на

коллекторе транзистора достигает уровня Икэнас + 0,1 ЛИ, на­

зывается временем рассасывания (см. рис. 4.23, г, д). К моменту t 5 транзистор переходит из режима насыщения в активный ре­

жим, начинается спад коллекторного тока и повышение выход­

ного напряжения.

Время рассасывания может быть вычислено по формуле

(4.52)

где постоянная времени рассасывания 'tpac близка к рассмотрен­

ной ранее в п. 4.4 величине 'tкэФ' входящей в выражение (4.30).

Следовательно, постоянная времени tpac определяется в ос­

новном временем жизни дырок в коллекторе и электронов в ба­ зе. Для снижения этих времен необходимо ускорить рекомбина­

цию неосновных носителей, что технологически достигается ле­

гированием кремния атомами золота, которые создают уровни

ловушек (центры рекомбинации) в запрещенной зоне кремния.

Увеличение то1щ базы Iв2 также уменьшает tpac• поскольку при

этом удаляются избыточные электроны из базы.

Интервал времени, когда выходной (коллекторный) импульс тока уменьшается от значения 0,9 его амплитуды до величины О,1 амплитуды называется временем спада tсп = t 6 - t 5 (рис. 4.23, г).

OJio может быть оценено по формуле

(4.53)

В момент спада ток и напряжение изменяются во времени по закону, близкому к экспоненте с одинщtовой постоянной време­ ни, приблизительно равной времени нарастания 'tнр• что и отра­

жено в выражении (4.53).

Суммарное время tpac + tсп = tвыкл называется временем выклю­

чения. При большой емкости Сн переходной процесс нарастания

выходного напряжения tнр и= t 7 - t5 (штрихпунктирная линия на

рис. 4.23, д) определяется только зарядкой нагрузочного конден­ сатора через резистор Rк. Это время, которое может значитель­

но превысить время спада tсп• аппроксимируется выражением

tнр и~ 2,3RкСн.

4.8. Разновидности биполярных транзисторов

Из всех классификационных факторов на практике наибо­

лее часто используют классификацию по максимально допусти­

мой мощности рассеивания и граничной частоте. В зависимости

от максимально допустимой мощности рассеивания биполяр­ ные транзисторы могут быть: малой мощности (Рмакс~ 0,3 Вт), средней мощности (0,3 < Рмакс ~ 1,5 Вт) и большой мощнос­ ти (Рмакс> 1,5 Вт). Транзисторы, имеющие граничную частоту

к сверхвысокочастотным (СВЧ-транзисторам).

Низкочастотные и высокочастотные транзисторы имеют ча-

ще всего эпитаксиально-планарную или планарную кремние­

вую структуру п-р-п-типа. Они отличаются тем, что высоко­

частотные транзисторы имеют меньшие площади переходов,

меньшие толщины базы и коллектора и времена жизни неос­

новных носителей. В силу сказанного, для низкочастотных (НЧ) транзисторов характерны емкости переходов 10... 100 пФ, а для высокочастотных (ВЧ) емкость не превышает 10 пФ, для

НЧ транзисторов tpac > 1 мкс, а для ВЧ tpac.;;;; О,1 мкс.

Наибольшие структурные и конструктивные особенности присущи СВЧ-транзисторам. Для увеличения граничной часто­ ты необходимо уменьшать время пролета носителей от эмиттера до коллектора и емкости транзистора. Чтобы снизить это врем.я;, СВЧ-транзисторы изготавливаются на основе п-р-п-структу­

ры, поскольку подвижность электронов в кремнии в три раза

больше, чем подвижность дырок, и, кроме того, базу делают по

возможности тонкой.

Современный уровень технологии позволяет изготавливать ба­ зу толщиной менее О,1 мкм. Однако при этом сопротивление базы

с уменьшением толщины увеличивается, что приводит к сниже­

нию величины рабочих напряжений и, следовательно, мощности.

Для уменьшения влияния указанных негативных явлений увели­ чивают концентрацию примесных атомов в базе, но при этом воз­

растают емкости переходов, которые можно снизить за счет ми­

нимизации размеров областей и других элементов транзистора, включая выводы. В результате барьерные емкости переходов

транзистора очень малы, поэтому на граничную частоту влияют

паразитные емкости и индуктивности выводов, для уменьшения

которых корпуса транзисторов изготавливают с плоскими выво­

дами и, кроме того, часто используют бескорпусные транзисто­

ры. Структура СВЧ-тран3истора обычно содержит несколько ба­

зовых и эмиттерных областей и соответствующих слоев.

Целым рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми СВЧ-транзисторами обладают транзисторы на основе GaAs с гете­ ропереходами, транзисторы на горячих электронах, особенно транзис­

торы с металлической базой и транзисторы с проницаемой базой.

Коротко рассмотрим особенности перечисленных приборов.

Транзистор с гетеропереходом имеет широкозонный эмиттер n-ти­

па из AlxGa1 _ xAs, базу р-типа из GaAs и коллектор п-типа из

GaAs. Характерной особенностью гетеропереходов, которые об­ разованы полупроводниками с различной шириной запрещен-

ной зоны, .являете.я наличие потенциальных скачков (барьеров) как в зоне проводимости, так и в валентной зоне (см. п. 2. 7). В результате транзисторы с гетеропереходами имеют следую­

щие преимущества:

1) высокую эффективность эмиттера из-за крайне малой ин­ жекции дырок из базы в эмиттер, чему препятствует вы­ сокий потенциальный барьер в валентной зоне;

2) малое сопротивление базы из-за ее сильного легирования

без снижения эффективности эмиттера, что также связа­

но с наличием высоких потенциальных барьеров в облас­

ти эмиттерного перехода;

3) лучшую переходную характеристику по сравнению с обыч­

ным транзистором из-за высокого коэффициента усиления

по току и низкого сопротивления базы; 4) возможность работы при повышенных температурах вплоть

до Т0 - 350 °С. В настоящее врем.я разработаны транзисто­

ры с параметром ~ :::::: 350, с граничной частотой, превыша­

ющей lОГГц.

Одними из перспективных в СВЧ-диапазоне .являются тран­ зисторы на горячих элекrронах. Горячими называют электроны, энергия которых превышает энергию Ферми на несколько kT

(k = 1,38 • l0-23 Дж/К - постоянна.я Больцмана, Т- темпера"

тура решетки в градусах К). Горячие, иначе, быстрые электро­

ны, формируются за счет создания больших потенциалов, уско­

ряющих электроны на границе между соседними областями

транзистора. Было предложено и исследовано достаточно много

трехэлектродных структур, подобных биполярным транзисто­

рам, с переносом горячих электронов от эмиттера к коллектору.

Основное отличие этих приборов от чисто полупроводниковых

классических транзисторов заключаете.я в способе инжекции

электронов в базу. Наилучшими СВЧ-характеристиками обла­

дает транзистор с металлической базой и структурой типа Si- Au-Ge, т. е. структура полупроводник-металл-полупровод­

ник, при этом толщина золотой пленки между двум.я полупро­ водниками составляет неско.Лько десятков ангстрем (сотые доли

микрона и меньше).

Применение таких современных перспективных техноло­

гий, как молекулярно-лучевая эпитаксия, выращивание моно­

кристаллических металлических пленок на полупроводниках,

ультрафиолетовая и рентгеновская литография, работа при ни­

зких температурах, позволяет добиться хороших СВЧ-харак-

Глава 4. Биполярныетранзисторы

теристик и высоких коэффициентов усиления по току в тран­

зисторах с металлической базой.

Дальнейшим развитием подобного направления является

разработка транзисторов с проницаемой базой, в которых металли­

ческая пленка заменена металлической вольфрамовой сеткой с

периодом порядка 0,3 мкм. Такой транзистор имеет четырех­ слойную структуру, включающую подложку из GaAs п+стипа,

слой эмиттера из GaAs п-типа, фигурную 'вольфрамовую сетку,

толщиной 0,02 мкм с шириной полоски 0,16 мкм и слой :коллек­

тора п - GaAs. Вольфрамовая сетка образует с п - GaAs барьер

Шоттки высотой 0,8 В. При подаче на сетку отрицательного по­

тенциала электроны из эмиттера при их движении к коллекто­

ру должны пройти в окрестности металлической сетки через об­

ласть с отрицательным потенциалом. Посередине между метал­ лическими полосками барьер наиболее низкий, а около границы металл - полупроводник барьер будет наиболее высоким. Этот барьер будет препятствовать проходу электронов через сетку. В результате только небольшая доля электронов преодолевает поле сетки, и в цепи коллектора протекает ток с малой плотно­

стью (единицы А/см2). Если на базу подать положительное сме­

щение, барьер снизится, и плотность :коллекторного тока может

достигать значений -103 А/см2 • При больших положительных

смещениях на базе (сетке) будет накапливаться отрицательный

заряд электронов, что приведет к ограничению тока. В этих

транзисторах можно получить высокие плотности управляемых

токов и, как следствие, большую крутизну и высокую гранич­

ную частоту, до нескольких десятков ГГц, а в перспективе до

сотни ГГц, при относительно больших значениях коэффициен­

тов усиления (15 ... 20 дБ).

Мощные транзисторы. При разработке мощных транзисторов

приходится решать дополнительно ряд специфических проблем, которые вызваны большими напряжениями и токами коллекто­

ра. Поэтому конструкция мощного транзистора должна обеспе­

чивать эффективный отвод рассеиваемой в нем тепловой энер­

гии. Перегрев активных частей транзистора большой.моЩности

при значительных размерах применяемых полупроводниковых

кристаллов вызывает необходимость учета механических на­ пряжений из-за различия температурных коэффициентов ли­ нейного расширения полупроводника и других элементов конст•

рукции. Помимо всего, мощные транзисторы должны быть до­ статочно быстродействующими.

Для обеспечения большого рабочего тока в мощных транзис­ торах необходимо изготавливать эмиттер как можно больших

размеров, причем сложной конфигурации. Поэтому обычно при­ меняют многоэмиттерные транзисторы, содержащие большое

число узких эмиттерных полосок, меЖду которыми располага­

ются выводы базы. Как эмиттеры, так и отдельные базовые вы­ воды объединяются общими выводами. Число отдельных эмит­ терных полосок может быть до нескольких десятков. Площадь каждой эмиттерной полоски обычно значительно больше, чем эмиттера маломощного транзистора. Предельная ширина эмит­ терной полоски ограничена эффектами вытеснения тока эмитте­

ра на края перехода, поэтому существуют оптимальные размеры

ширины полоски, которые лежат в пределах 10... 20 мкм. Длина полоски ограничивается падением напряжения на аей и состав­ ляет 100... 200 мкм. Последовательное включение с каждым эмиттером стабилизирующих резисторов позволяет выравни­

вать токи отдельных эмиттеров.

Большая часть мощных транзисторов рассчитана на работу

при относительно низких напряжениях в 20... 30 В, поскольку в этом случае облегчается тепловой режим. Хороший теплоотвод

в мощных транзисторах достигается за счет установки полупро­

водникового кристалла на массивном металлическом основа­

нии корпуса часто совместно со специальным радиатором. Для уменьшения барьерной емкости и теплового сопротивления

коллектора используют многоструктурные транзисторы, со­

бранные на одном кристалле в виде матрицы отдельно парал­

лельно соединенных транзисторов. За счет увеличения расстоя­

ния между отдельными транзисторами обеспечивается нужное

тепловое сопротивление без увеличения емкости коллекторного

перехода.

1. Каковы устройство, схемы включения, режимы работы би­ полярных транзисторов (БТ)?

2. Физические процессы в БТ. Коэффициенты передачи тока в

различных схемах включения.

3.Статические БАХ в схемах с ОБ и ОЭ.

4.Модель Молла-Эберса. Эквивалентные схемы БТ.

5.Высокочастотные свойства БТ.