эффект, который дают делительные кольца. Транзисторная тест-структура, содержащая одну базовую область и контактные окна эмиттера и базы большого размера (достаточного для того, чтобы в них устанавливались измерительные зонды), позволит оценить усилительные свойства на более ранних технологических этапах, чем это можно сделать на рабочих транзисторных структурах. Тест-структуры, состоящие из групп областей, легированных путем диффузии и расположенных на различных расстояниях, позволяют определить глубину диффузии в базовых и эмит-терных областях. Еще один тип тест-структур позволяет определить поверхностное сопротивление в областях базы и эмиттера, т. е. оценить содержание легирующих примесей в этих областях. Тест-структуры, создаваемые на этапе напыления алюминия и фотолитографии по алюминию, позволяют оценить толщину и площадь поперечного сечения металлизированных дорожек, а также наличие более тонких мест у перехода металлизации через ступеньки в защитном окне.

Наличие нескольких групп подобных тест-структур на каждой рабочей пластине позволяет оценить разброс большого числа различных характеристик как по отдельной пластине, так и между пластинами и партиями пластин. Подобные оценки необходимы при проведении мероприятий, направленных на уменьшение этого разброса, а разброс значений различных параметров транзисторных структур прямо или косвенно может влиять на надежность приборов (например, наличие большого разброса входных сопротивлений и сопротивлений стабилизирующих резисторов может привести к образованию горячих пятен и вторичному пробою).

Проведение необходимых технологических испытаний. В конструкции мощных ВЧ транзисторов учитываются особенности, необходимые для того, чтобы приборы были устойчивы к разного рода механическим, тепловым и электротермическим воздействиям, но нельзя гарантировать, что такая устойчивость будет обеспечена для всех 100 % изготовляемых приборов. Поэтому в технологии их изготовления предусматриваются специальные меры по выявлению приборов, недостаточно устойчивых к внешним воздействиям. Эти меры называются технологическими испытаниями, среди которых можно отметить следующие:

1.Проверка отсутствия кратковременных коротких замыканий и обрывов. Эта проверка заключается в том, что приборы подвергаются вибрации при одновременной подаче на них электрических напряжений. Если во время вибрации происходят кратковременный обрыв или короткое замыкание, то срабатывает устройство индикации и прибор отбраковывается. Причиной кратковременного обрыва может быть отсутствие сварки вывода с контактной площадкой и в то же время наличие электрического контакта между ними (благодаря тому, что вывод прижат к контактной площадке). В мощных ВЧ транзисторах вероятность обнаружения подобного дефекта очень мала, так как для этого должны произойти одновременно кратковременные обрывы всех внутренних выводов эмиттера или базы. Гораздо более вероятно кратковременное короткое замыкание, которое может произойти при наличии внутри корпуса прибора посторонней металлической частицы (например, капли припоя золото - кремний) или если хотя бы один внутренний эмиттерный вывод слишком близко располагается от базовой металлизации (или базовый вывод - от эмиттерной металлизации).

2.Проверка ударопрочности приборов. Целесообразно эту проверку проводить перед проверкой на отсутствие коротких замыканий и обрывов, так как подобные дефекты могут появиться именно в результате недостаточной устойчивости к воздействию ударов.

3.Проверка устойчивости к циклическому изменению температуры. Приборы подвергают периодическому нагреву и охлаждению до предельно допустимых значений рабочих температур корпуса с выдержкой при этих температурах. Если в испытуемых приборах слишком высок уровень внутренних механических напряжений, то складывающиеся с ними термомеханические напряжения, возникающие в результате этих периодических изменений температуры, могут привести к разрушению конструкции прибора. В связи с этим после проверки устойчивости приборов к циклическим изменениям температуры проводят проверку их герметичности.

4.Тренировка приборов и их старение. Известно, что существуют механизмы отказов, которые действуют в начальный период эксплуатации приборов. Поэтому в ряде случаев, когда это является экономически оправданным, приборы на стадии изготовления подвергают ускоренной эксплуатации (прогону в форсированных электрических режимах, выдержке при повышенной температуре или сочетанию того и другого - термоэлектротренировке). Подобное технологическое испытание является чрезвычайно дорогим и сложным и применять его целесообразно только тогда, когда подтверждена его эффективность, т. е. способность действительно отбраковать потенциально ненадежные приборы, и когда, как было сказано ранее, расходы на его осуществление могут окупаться. Примером целесообразности таких испытаний может быть изготовление приборов для космической аппаратуры.

Система цеховых отбраковок. Технология изготовления любых полупроводниковых приборов, в том числе мощных ВЧ транзисторов, предусматривает проведение системы цеховых измерений электрических параметров готовых транзисторов. У транзисторов измеряются основные статические параметры (обратные токи и пробивные напряжения переходов, статический коэффициент передачи тока). При измерении этих параметров устанавливаются нормы, обеспечивающие запасы по этим параметрам по сравнению с нормами технических условий. Для обеспечения надежности приборов цеховые нормы на обратные токи устанавливают не менее чем с 5 - 10-кратным запасом. Нормы на коэффициент передачи тока выбирают с запасом 10 - 15%. При этом определенная часть приборов уходит в брак, поэтому запасы приходится выбирать не только с точки зрения повышения надежности, но и с учетом обеспечения приемлемого процента выхода годных. Некоторые параметры можно не проверять, так как они или определяются с достаточной точностью размерами областей и распределением концентрации примесей в транзисторной структуре (емкости переходов), или их определенное

значение может быть гарантировано при условии проверки других параметров транзистора (сопротивление насыщения).

Измерения ВЧ параметров (выходной мощности, коэффициента усиления по мощности, коэффициентов комбинационных частот) целесообразно проводить только один раз, лучше всего в процессе цеховых измерений, несмотря на то, что нет возможности заложить при этом высокие технологические запасы. Причина этого заключается в том, что измерения этих параметров весьма сложны и трудоемки, и в процессе этих измерений требуется осуществлять настройку по входу и выходу. При проведении этих измерений возможно возникновение перегрузок, способных в принципе вывести прибор из строя. Несмотря на то, что, как многократно упоминалось, мощные ВЧ транзисторы - это приборы, к которым предъявляются разнообразные и противоречивые требования, и что поэтому они не могут иметь больших запасов по своим электрическим и тепловым характеристикам, особенности их применения заставляют предъявлять к ним дополнительные требования. Речь идет о том, что схемы применения мощных ВЧ транзисторов чрезвычайно трудно сконструировать таким образом, чтобы в них совершенно не создавались перегрузочные режимы. Избавиться от этих перегрузок можно, если использовать транзисторы со снижением режимов (токов, напряжений и мощностей). Но при этом окажется, что возможности транзисторов будут недоиспользованы, по крайней мере, в несколько раз. В связи с этим приходится искать еще одно компромиссное решение: транзистор должен выдерживать определенный уровень перегрузок, а схема должна быть сконструирована так, чтобы этот уровень не превышался. Для мощных ВЧ транзисторов, предназначенных, например, для работы в линейных широкополосных усилителях, требования к допустимым перегрузкам принято формулировать так, чтобы условия при их проверке были максимально близки к тому, с чем приходиться встречаться при реальной эксплуатации приборов.

4.4. УСТОЙЧИВОСТЬ ТРАНЗИСТОРОВ К РАССОГЛАСОВАНИЮ НАГРУЗКИ

Как правило, мощные ВЧ транзисторы используются в выходных каскадах линейных широкополосных усилителей, где их нагрузкой является антенное устройство. Для наилучшего использования транзисторов аппаратура должна быть спроектирована таким образом чтобы режим на выходе транзистора был близок к оптимальному. Практически осуществить такой режим довольно сложно, особенно если не идти на подбор согласующих элементов для каждого транзистора, так как разброс характеристик между отдельными экземплярами транзисторов достаточно велик. Однако, даже если такой режим на выходе и может быть получен, в процессе наладки аппаратуры и в процессе ее эксплуатации возможны аварийные ситуации, например обрыв антенны или короткое замыкание на выходе транзистора. Антенна не подключается непосредственно к выходу транзистора, а между ним имеется согласующее устройство. Это устройство может рассматриваться как отрезок длинной линии. При прохождении по этой линии сигнала может возникать стоячая волна. Появление стоячей волны вызовет значительные изменения режима транзистора, которые при неблагоприятных фазах коэффициента отражения приведут к значительным перегрузкам.

В общем случае можно утверждать, что в аварийных ситуациях на выходе транзистора могут происходить произвольные изменения комплексной нагрузки; ее модуль может изменяться от нуля до бесконечности, а фаза может принимать при этом любые значения от нуля до 360°. Экспериментальные исследования показывают, что при таком произвольном изменении нагрузки напряжение на коллекторе транзистора и ток через транзистор могут изменяться весьма значительно: их пиковые значения могут в несколько раз превосходить напряжение и ток, соответствующие оптимальному режиму на выходе транзистора. Если подобные условия возникают на выходе транзистора, работающего в реальном устройстве, то он может оказаться очень сильно перегруженным по напряжению, току и мощности. На случай подобных ситуаций аппаратура снабжается защитными устройствами, но, как правило, такая защита срабатывает через сравнительно большой промежуток времени - до десятых долей секунды. Необходимо, чтобы транзистор, оказавшийся в реальных условиях, выдерживал рассогласованный режим.

Добиться этого можно различными путями. Можно эксплуатировать транзисторы при сниженных значениях выходной мощности и напряжения питания, при этом напряжение и выходную мощность надо снижать до тех пор, пока не будет гарантировано, что при любых условиях рассогласования на выходе ток через транзистор, напряжение на нем и рассеиваемая мощность не будут превосходить предельно допустимые значения. В этом случае транзисторы будут выдерживать рассогласованный режим в течение любого времени. Однако возможности их при этом будут чрезвычайно сильно недоиспользованы. Можно поступить иначе: и транзисторах, работающих в ВЧ усилителе в номинальном режиме по отдаваемой мощности и напряжению питания, определить на основе экспериментальных исследований время, в течение которого они могут выдерживать любое рассогласование, или установить условия рассогласования, которые прибор может выдерживать определенное время (скажем, 1 - 3 с).

Возможен еще один вариант. Транзисторы при работе в номинальном режиме могут не выдерживать произвольного рассогласования, но выдержат его при несколько сниженном режиме, когда токи, напряжения и мощности в момент рассогласования будут достигать значений, превосходящих предельно допустимые, но транзисторы будут еще достаточно устойчивы к подобным перегрузкам.

Способность транзисторов выдерживать перегрузки зависит от имеющихся запасов по напряжению, току и допустимой мощности рассеяния, но при этом надо учитывать следующее. Если перегрузка происходит по на-

пряжению, то транзистор или не выдержит ее при весьма кратковременном воздействии (как только наступит необратимый электрический пробой), или будет устойчив к ней достаточно длительное время (если при перегрузке необратимый электрический пробой не наступает). Если же происходят перегрузки по току или мощности рассеяния, то устойчивость к ним, безусловно, зависит от их продолжительности, так как оба вида перегрузок приводят к общему или локальному разогреву прибора.

Рассмотрим теперь мероприятия, обеспечивающие надежность мощных ВЧ транзисторов, в том случае, когда они подвергаются перегрузкам в результате рассогласования. Если при рассогласовании ни напряжения, ни токи, ни мощности не будут превосходить предельно допустимые значения, то никаких специальных мер по обеспечению надежности не требуется. Если же в процессе рассогласования превышаются предельно допустимые напряжения, ток или мощность, то гарантировать надежность при подобных условиях эксплуатации можно, если технология изготовления транзисторов предусматривает их специальную проверку.

Остановимся на принципах построения методики подобной проверки. Обычно берется ВЧ резонансный усилитель, в котором измеряются основные параметры мощных ВЧ транзисторов (РВЫХ, КУР, М3, М5, КПД). После того, как на выходе усилителя устанавливаются оптимальный режим и номинальная мощность, вместо нагрузки подключают испытательное устройство, которое можно рассматривать как отрезок длинной линии, замкнутой активным сопротивлением. Элементы настройки позволяют менять действующую длину линии или, иначе говоря, активную и реактивную составляющие нагрузки. Если в оптимальном режиме нагрузка связана с испытуемым транзистором через линию с волновым сопротивлением 75 Ом, то обычно в рассматриваемом устройстве отрезок линии замыкается резистором сопротивлением 2,5 Ом. При этом КСВН будет равен 30: 1. Такое значение КСВН не позволяет получить условия от полного обрыва до полного короткого замыкания нагрузки, но реально обеспечиваемый диапазон изменений достаточно близок к этим условиям.

Можно проводить разные испытания, создавая на выходе рассогласованные условия: можно сразу после достижения режима номинальной выходной мощности подключить вместо нагрузки рассогласованный отрезок длинной линии, можно перед этим снимать напряжение питания, а после переключения опять подавать это напряжение, а можно перед переключением снять входной сигнал, а после переключения опять подавать на вход тот же сигнал. Но надо следить за тем, чтобы, с одной стороны, снятие и подача напряжения или входного сигнала происходили достаточно быстро (за время, намного меньшее, чем длительность самого испытания) и, с другой стороны, чтобы все эти операции не приводили к появлению значительных бросков напряжения или тока. При значительных бросках испытания фактически могут резко ужесточиться, причем непредсказуемым образом, и они уже не будут соответствовать тем реальным условиям рассогласования, устойчивость к которым следует проверять.

Изменяя в испытательном устройстве активное сопротивление и индуктивность или емкость, можно изменять значение КСВН и фазу отражения. Очевидно, что при более высоких значениях КСВН перегрузки при рассогласовании будут более значительными, чем такие же перегрузки при менее высоких КСВН. Результаты экспериментов показывают, что при рассогласовании напряжение, ток и мощность рассеяния могут возрастать в несколько раз по сравнению с оптимальным режимом, но при этом максимум напряжения, тока и мощности рассеяния наступает при разных значениях фазы нагрузки.

Испытания на проверку устойчивости к рассогласованию должны проводиться так, чтобы транзистор обязательно оказывался в наиболее жестких условиях. В зависимости от длительности испытаний такими условиями могут оказаться положения, соответствующие максимуму мощности рассеяния (при более длительных испытаниях), максимуму напряжения (при более кратковременных испытаниях); возможно, что самым жестким условиям будет соответствовать положение, в котором достаточно высокая мощность рассеяния сочетается с напряжением пусть не максимальным, но достаточно высоким.

Могут применяться два варианта методики испытаний. Один из них основан на том, что предварительно экспериментально определяют, при каких фазах нагрузки создаются наиболее жесткие условия рассогласования. Для каждого транзистора таких положений может быть два или три. Если разброс параметров испытуемых транзисторов невелик, то можно фиксировать эти положения и затем ввести в технологию испытания каждого транзистора в течение заданного времени в каждом из этих положений. Однако в реальных условиях разброс параметров транзисторов часто бывает большим и в соответствии с этим выбор фаз нагрузки, соответствующих наихудшим условиям рассогласования, оказывается достаточно условным. Поэтому можно рекомендовать другой вариант методики испытаний: после подключения к выходу транзистора устройства, эквивалентного изменяемому отрезку длинной линии, специальным приспособлением настраиваемый элемент переводится через все его возможные положения. При этом каждый транзистор, безусловно, окажется во всех наиболее опасных режимах. Недостатком второго варианта методики является то, что испытание, во время которого проходятся все возможные фазы рассогласования, нельзя вести слишком долго, так как оно сопровождается выделением мощностей, значительно превосходящих предельно допустимые. Практика показывает, что такие испытания нельзя продолжать более 1 - 3 с. Однако при этом длительность нахождения в каждом из опасных положений будет длиться около 0,1 - 0,2 с, а это время достаточно для срабатывания в реальной аппаратуре защитного устройства при попадании транзистора в аварийный режим.

Так как процесс испытания транзистора на устойчивость к рассогласованию нагрузки связан с перегрузками, неизбежно возникает вопрос: не приведут ли эти испытания к изменениям деградационного характера, которые впоследствии при эксплуатации вызовут отказ транзистора? В настоящее время единственным способом убедиться в том, что это не произойдет, является многократное проведение подобных испытаний на группе