Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

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