Ремонт принтеров, сканнеров, факсов и остальной офисной техники


назад Оглавление вперед




[1]

раметров, как максимальный ток, сопротивление насыщения и КПД. Поэтому повышать рабочее напряжение для увеличения кур можно, когда все остальные возможности использованы.

К ВЧ транзисторам, предназначенным для связной аппаратуры (это в основном линейные широкополосные усилители, работающие в режиме одной боковой полосы [25]), предъявляются дополнительные требования. Так, следует максимально возможно уменьшать емкость коллектора и индуктивность эмиттерного вывода мощных ВЧ транзисторов. Кроме того, транзисторы должны обладать высокой линейностью. Линейность принято оценивать двухчастотным методом. В соответствии с этим методом на вход транзистора подаются два сигнала одинаковой амплитуды с близкими частотами, w1 и w2, а на выходе определяется отношение амплитуд комбинационных составляющих третьего и пятого порядков (т. е. сигналов с частотами 2w1 - w2, 2w2 - w1, 3w1 - 2w2, 3w2 - 2w1) к амплитуде основных сигналов. Очевидно, что для идеальной линейной системы комбинационные составляющие равны нулю. В мощных ВЧ транзисторах для связной аппаратуры, обладающих достаточно высокой линейностью, амплитуда комбинационных составляющих третьего и пятого порядков, по крайней мере, в 25 - 30 раз меньше, чем амплитуда основных сигналов (ослабление этих составляющих составляет не менее 27 - 30 дБ).

В мощных транзисторах, работающих в усилителях класса А, при достаточно малых значениях мощности сигнал на выходе будет обладать высокой линейностью. С ростом выходной мощности линейность будет ухудшаться. В усилителях класса В или АВ при условии обеспечения высоких КПД получить на выходе сигнал с высокой линейностью весьма трудно. В настоящее время не существует теории, которая позволила бы точно связать линейность выходного сигнала со значениями других параметров мощных ВЧ транзисторов, однако можно высказать качественные соображения о том, какой характер должна иметь эта связь.

Прежде всего транзистор должен обладать высокой линейностью на низких частотах (без этого невозможно обеспечить линейность на высоких частотах). Для этого статический коэффициент передачи тока п21Э должен мало меняться во всем диапазоне рабочих токов и напряжений. Как правило, это требование труднее всего выполнить в области малых напряжений и больших токов. Желательно в этом случае, чтобы во всем диапазоне рабочих токов транзистор входил в насыщение достаточно резко. Для иллюстрации этого на рис. 1.2 показаны выходные статические характеристики двух транзисторов с резким и постепенным входом в насыщение. Вообще говоря, на меньших токах у транзистора с постепенным входом в насыщение вход в насыщение также достаточно резкий. Поэтому в ряде случаев требование о резком входе в насыщение может быть переформулировано как требование о значительном увеличении запаса по рабочим токам. Далее слабая зависимость статического коэффициента передачи тока от режима в области высоких напряжений может быть обеспечена только тогда, когда в диапазоне рабочих напряжений еще достаточно близок к единице коэффициент умножения коллектора. А это значит, что рабочие напряжения должны быть далеки от пробивного напряжения коллекторного перехода и от так называемого граничного напряжения.

a)L"f)

Рис. 1.2. Выходные характеристики транзисторов с резким (а) и постепенным (б) входом в насыщение

Кроме того, в транзисторах для линейных устройств следует стремиться максимально уменьшать значения ряда величин, которые могут быть источниками возникновения нелинейности: на входе транзистора такую роль может играть емкость эмиттерного перехода, а на выходе - коллекторного. Источником нелинейности на входе является и сама входная характеристика эмиттерного перехода. Для устранения нелинейности по входу приходится использовать режимы со смещением по постоянному току (т. е. переходить от класса В к классу АВ), а также вводить в эмиттерную цепь резисторы, позволяющие дополнительно линеаризовать входную характеристику.

Так как речь идет об обеспечении линейности ВЧ сигнала, следует стремиться к тому, чтобы и на высоких частотах коэффициент передачи тока слабо зависел от режима работы. Для выполнения этого требования нужно стремиться обеспечить максимально возможный критический ток. Под критическим током транзистора понимают значение тока коллектора, при достижении которого значение frp(\h2i3\) падает на 3 дБ (по отношению к его максимальному значению при заданном напряжении коллектор - эмиттер).

Таким образом, при конструировании мощных ВЧ транзисторов следует стремиться к обеспечению максимально возможного значения ряда параметров (выходной мощности, рабочего тока, максимально допустимой


мощности рассеяния, критического тока, КПД, граничной частоты, коэффициента усиления по мощности) и минимально возможных значений других параметров (напряжения насыщения, теплового сопротивления, емкостей коллекторного и эмиттерного переходов, индуктивности эмиттерного вывода, комбинационных составляющих). Ряд параметров (например, рабочее напряжение, максимально допустимое напряжение коллектор - база, статический коэффициент передачи тока) должен иметь некоторые оптимальные значения, определяемые требованиями к остальным характеристикам транзисторов. Оказывается, что требования к перечисленным параметрам находятся в противоречии друг с другом, и при создании мощных ВЧ транзисторов приходится проводить их оптимизацию.

1.2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ

Для обеспечения необходимых требований к параметрам мощных ВЧ транзисторов приходится в первую очередь соответствующим образом выбирать электрофизические характеристики, а также размеры и форму коллекторной, базовой и эмиттерной областей транзисторной структуры.

Под электрофизическими характеристиками различных областей полупроводникового кристалла, в котором создана биполярная транзисторная структура, понимают тип проводимости, удельное сопротивление, подвижность и время жизни неосновных носителей заряда. Эти свойства определяются концентрацией и законом распределения примесей, легирующих полупроводник, а также степенью совершенства полупроводникового кристалла (т. е. отсутствием или наличием дефектов кристаллической структуры и их характером).

Современные биполярные мощные ВЧ транзисторы - это в основном приборы с n-p-n структурой. Одна иа причин этого заключается в том, что оптимальное соотношение между концентрациями примесей, легирующих эмиттерную, базовую и коллекторную области и необходимые свойства исходного полупроводникового материала, могут быть проще заданы для исходного материала с проводимостью типа п и для структур n-p-n, В структурах n-p-n легче обеспечить более высокие частотные свойства, так как неосновные носители в базе - -электроны - будут обладать более высокими значениями коэффициента диффузии и подвижностью, чем дырки, являющиеся неосновными носителями в базе структур p-n-p.

Мощные ВЧ n-p-n транзисторы изготовляют методом односторонней диффузии. В пластину исходного полупроводникового материала типа п, образующего впоследствии в транзисторной структуре тело коллектора, через одну из поверхностей вводят с помощью высокотемпературной диффузии акцепторные примеси, образующие у поверхности слой дырочного типа проводимости. Граница между этим слоем и исходным материалом представляет собой коллекторный р-п переход. Затем через ту же поверхность осуществляется диффузия примесей типа п, компенсирующих в какой-то части структуры дырочную область и образующих эмиттерный слой п. Граница между этим слоем п и созданным до этого слоем р представляет собой эмиттерный р-п переход. В результате создается транзисторная n-p-n структура. Примеси типов пир вводятся не через всю поверхность пластины, а локально. В принципе для введения примесей можно использовать ионное легирование с последующим диффузионным перераспределением. Изменение концентрации легирующих примесей по направлению вглубь от поверхности полупроводниковой пластины после введения примесей типов р и п имеет вид, показанный на рис. 1.3. Область типа п, расположенная у поверхности пластины, - это эмиттерная область. Лежащая под ней область типа р - базовая, а расположенная под ней область типа п, в которой в основном сохраняется исходная концентрация примесей, - это коллекторная область.

Рис. 1.3. Распределение примесей в транзисторной структуре, полученной методом односторонней диффузии

Структуры практически всех мощных ВЧ транзисторов - это планарные структуры, в которых границы коллекторного и эмиттерного переходов выходят на одну и ту же предварительно подготовленную плоскую поверхность полупроводниковой пластины. На рис. 1.4 изображено поперечное сечение планарной транзисторной структуры, позволяющее представить себе взаимное расположение ее различных областей. Защитные(маскирующие) слои 4 - 6 - это, как правило, пленки двуокиси кремния, полученные при термическом окислении. Невыпрямляющие контакты 7 - 9 создаются обычно напылением какого-либо металла, металлического сплава или последовательных слоев различных металлов или сплавов.


35 в 1

I..... \........\ \.....!

Рис. 1.4. Поперечное сечение планарной транзисторной структуры: 1 - исходная полупроводниковая пластина типа п (коллектор); 2 - область, в которую проводится диффузия примесей типа р (у - активная базовая область, 2" - пассивная, служащая для соединения с базовым невыпрямляющим контактом); 3 - область, в которую проводится диффузия примесей типа п (эмиттер); 4 - защитный слой, маскирующий часть исходной пластины от диффузии примесей типа р; 5 - защитный слой, маскирующий часть области типа р от диффузии доноров; б - защитный слой, покрывающий ту часть эмиттера, которая не граничит с невыпрямляющим эмиттерным контактом; 7 - невыпрямляющий эмиттерный контакт; 8 - невыпрямляющий базовый контакт; 9 - невыпрямляющий коллекторный контакт

Рассмотрим требования, предъявляемые к концентрации и характеру распределения легирующих примесей в полученной методом односторонней диффузии планарной структуре мощного ВЧ транзистора. Из способа создания легированных областей „ и р в структуре видно, что область типа р может быть воспроизводимо получена, если концентрация акцепторов в ней во много раз превосходит концентрацию доноров в исходном материале, а область типа „ должна иметь концентрацию доноров, во много раз превосходящую концентрацию акцепторов в области типа р (в противном случае создание этих областей путем диффузии или даже более точного метода - ионного легирования - было бы практически невозможно). Содержание примесей в этих областях определяет их функциональную роль. Исходная область типа n, легированная наиболее слабо, выполняет роль коллектора, так как ее высокое удельное сопротивление позволит получить требуемые сравнительно высокие значения пробивного напряжения коллектора. Более низкое удельное сопротивление области типа р обеспечит такое положение, когда при подаче на коллекторный р-„ переход запирающего напряжения пространственный заряд будет расширяться в основном в сторону коллектора и лишь незначительно в сторону базы. Такая ситуация даже при очень тонких базовых слоях, необходимых для получения высоких граничных частот, предохранит транзистор от явления прокола, при котором пространственный заряд коллекторного р-„ перехода проходит через всю базовую область и достигает эмиттерного перехода, после чего транзистор перестает быть работоспособным. Постепенное уменьшение суммарной концентрации легирующей примеси практически во всей базовой области по направлению к слаболегированной коллекторной области создает в базе дополнительное электрическое поле, ускоряющее движение неосновных носителей к этой слабо легированной области. Такое положение способствует улучшению частотных свойств приборов.

Расположенную у поверхности область типа „, полученную путем диффузии доноров, целесообразно выбрать в качестве эмиттера, так как высокая концентрация доноров в эмиттере (по сравнению с концентрацией акцепторов в базе) необходима для получения высокого коэффициента инжекции электронов в базу. Высокий коэффициент инжекции позволит получить достаточно высокий статический коэффициент передачи тока.

Если предположить, что эмиттерная и базовая примеси (см. рис. 1. 3) распределены в транзисторной структуре по экспоненциальному закону (на самом деле такое предположение неверно, но истинный закон распределения этих примесей не слишком сильно отличается от экспоненциального), то связь коэффициента инжекции эмиттера у с электрофизическими характеристиками этих областей будет иметь вид Г2]

Коэффициент инжекции эмиттера представляет собой отношение тока, инжектируемого из эмиттера в базу 1„(хэ) к общему току, протекающему через эмиттерный переход [1р(х3) + 1„(хэ)]. Величина dn(x3 тах) - коэффициент диффузии электронов в базе в точке с максимальным суммарным содержанием легирующих примесей; тр - время жизни дырок в эмиттере у эмиттерного перехода, a la, la - характеристические длины в распределении доноров и акцепторов, определяемые из условий:

nd (хэ) =Wdoexp ( - xl,) ,

na (хэ) =ЛГа0ехр (- x/lu) ,( 1 .5)

где хэ - глубина эмиттерного перехода; ndo и nao - концентрации доноров и акцепторов на поверхности



[стр.Начало] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26]