Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
современном состоянии технологии биполярных транзисторов [50]. Выходная
мощность обратно пропорциональна квадрату частоты, что является
результатом ограничения, налагаемого полем лавинного пробоя и предельной
скоростью носителей [18] (гл. 10). В импульсном режиме работы на частоте
1 ГГц
Биполярные транзисторы
179
f, ГГц
Рис. 25. Коэффициент однонаправленного усиления, коэффициент
максимального усиления, коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером и
фактор шума биполярного транзистора, полученного имплантацией [49].
Рис. 26. Зависимость мощности от частоты для современных биполярных СВЧ-
транзисторов [50].
180
Глава 3
может быть достигнута мощность ~500 Вт. В непрерывном режиме получены
следующие значения: 60 Вт на 2 ГГц, 6 Вт на 5 ГГц и 1,5 Вт на 10 ГГц. С
развитием новых способов и технологических процессов следует ожидать
трехкратного повышения предельных параметров по сравнению с полученными в
настоящее время.
3.4. МОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
3.4.1. Распределение температуры и балластное сопротивление эмиттера
Мощные транзисторы проектируются для использования в усилителях мощности
и регулирования высоких напряжений и больших токов. При разработке мощных
транзисторов основное внимание уделяется абсолютным величинам
рассеиваемой мощности и ограничениям работоспособности из-за вторичного
пробоя. При описании СВЧ-транзисторов в разд. 3.3 особое внимание
уделялось частоте отсечки и коэффициенту усиления по мощности. Однако
между мощными транзисторами и СВЧ-транзисторами нет четко очерченной
границы, так как произведение мощности на частоту в основном ограничено
параметрами материала [18].
В мощных транзисторах с увеличением рассеиваемой мощности повышается
температура переходов Т\. Максимум Т/ ограничен температурой, при которой
в базе достигается собственная проводимость полупроводника. При
температуре, превышающей Т/, прибор перестает работать как транзистор из-
за короткого замыкания между коллектором и эмиттером. Для улучшения
характеристик транзистора последний необходимо помещать в корпус с
хорошим теплоотводом, обеспечивающим эффективное рассеяние выделяемого
при работе тепла.
Чтобы получать большие уровни мощности, необходимо правильно выбрать
ширину полоски эмиттера 5 и толщину базы транзистора Wu. В мощных
транзисторах также используют встречно-штыревые и многоэмиттерные
структуры (рис. 22). Это позволяет пропускать через них большой ток и
распределять его более равномерно.
На рис. 27, а и б приведены распределения тока и температуры вдоль
половины перехода эмиттер-база транзистора (ширина полоски эмиттера
составляет 250 мкм) для четырех различных условий смещения [51 ]. Полная
входная мощность во всех случаях одинакова (60 Вт). Отметим, что при
высоких напряжениях и малых токах (кривые А и Б) ток концентрируется в
центре полоски, где наблюдается также очень сильное повышение
температуры. При низких напряжениях и больших токах (кривая Г)' ток
концентрируется вблизи края эмиттера (эффект вытеснения
Биполярные транзисторы
181
Ш
то
?
Ч 2500
1 2000
?
g 150о\
%
г" 1000
500
0
Ширина эмиттера250шм I Т0= 28,5 °С
О 25 50 75 100 125 Расстояние, мкм
Коивая А Б В Г
- Усе В 75,0 40,0 15,0 7,5 0,4 0,75 2,0 4,0
\ hFE 15,6 23,* 40,8 5,9
\\Б \\ \\ - V \ч
I I l I
9 25 50 75 100 й
Расстояние, мкм б
Рис. 27. Изменение плотности тока (а) и температуры (б) с расстоянием от
центра перехода эмиттер - база [51].
эмиттера), а повышение температуры в центре полоски намного слабее.
Следовательно, работа при высоких напряжениях и малых токах сопряжена с
более сложными тепловыми условиями.
Для улучшения равномерности распределения тока во встречно-штыревом и
многоэмиттерном транзисторах добавляют распределенное эмиттерное
сопротивление RE, которое ограничивает любое нежелательное увеличение
тока через отдельный эмиттер. Такие последовательно включенные резисторы
называют стабилизирующими резисторами или балластными эмиттерными
резисторами. На рис. 28 (вставка) приведена схема включения балластного
резистора RE. Коллекторный ток в этой схеме [52 ] определяется выражением
soexp
| QVin
qIcHRe + re)/ct + гь (i/a - l) - Eg (Tj)] |
k (T0 4- RthlcVc) )
(87)
где I so - постоянная, не зависящая от температуры; Eg - ширина
запрещенной зоны при температуре перехода Т\\ Т0 - температура окружающей
среды; Rth - тепловое сопротивление. На рис. 28 приведены
экспериментальные результаты (светлые кружки), которые хорошо согласуются
с расчетными кривыми, полученными по формуле (87) (сплошные линии). При
малых бал-
182 Глава 3
Рис. 28. Зависимость коллекторного тока от напряжения при различных
балластных эмиттерных резисторах Re. На вставке приведена эквивалентная
схема с Re [52].
ластных резисторах (менее 0,74 Ом) и при высоких плотностях тока
дифференциальное сопротивление dVlNtdl становится отрицательным, а ток -
неуправляемым. Если RE достаточно велико, транзистор абсолютно устойчив,
