Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

симально допустимую мощность рассеяния, справедлива только в области малых напряжений — больших токов. Начиная с неко­ торого критического уровня напряжения, в транзисторной струк­ туре появляются области локального перегрева («горячие пятна»). Следствием этого являются серьезные (иногда на порядок величины) ограничения уровня рассеиваемой мощности при условии прямого смещения перехода эмиттер — база. По мере повышения напряже­ ния вплоть до иид = ІІКЭ о несоответствие становится еще более резким, возможно, в связи с тем, что начинает действовать допол­ нительный механизм электрической неустойчивости, связанный с лавинным умножением в коллекторном р-п переходе, и вероятность возникновения вторичного пробоя увеличивается.

На образование областей перегрева из-за явлений, связанных с концентрацией тока, указывает большое количество эксперимен­ тальных фактов.

Если, например, в качестве параметра, чувствительного к тем­

пределения в структуре мощного транзистора с большой площадью может служить появление участка с отрицательным сопротив­

ка с отрицательным сопротивлением при повышении температуры является фундаментальным явлением [183] и присуще всем тран­ зисторам, в том числе и маломощным. В самом деле, из соотноше­ ния (10.1) видно, что если при повышении температуры ток эмиттера поддерживать постоянным, то это фактически будет означать уменьшение напряжения U3p.n. При этом производная (dU3 Р-п/дТ)Іэ== const представляет собой отрицательную величину, характеризующую уменьшение напряжения эмиттер — база приб­ лизительно на 2 мВ при повышении температуры на 1° С. При низ­ ких уровнях тока, когда рассеиваемая мощность относительно мала,

282

падать—транзистор обнаруживает тепло­ вую нестабильность. Степень отклонения фактической кривой влево зависит от те­ плового сопротивления и концентрации тока.

Аналогично (рис. 10.8) произведение г'бСк при повышении напряжения UKa начинает резко возрастать также при меньших постоянных токах Ік. При импульсных измерениях ход зависимо­ сти предельной частоты }т от тока коллектора по мере роста напря­ жения UK3 носит противоположный характер по сравнению со случаем измерений в статическом режиме (см. сплошные кривые на рис. 10.7). Как показано в гл. 5, резкий спад /V и рост емкости коллектора С к в планарных транзисторах имеют место при плот-

eorpçCK,nc ыов

401

20

283

жению (7К . Поэтому при импульсных измерениях критические токи /;.р для предельной частоты /V увеличиваются с повышением напряжения ІІК. При измерениях в статическом режиме возникают горячие пятна с площадью 5 П <С Sg, где Sa — полная площадь эмиттерного р-п перехода. При одинаковых критических плотностях

=/ к к р 5 э , как видно из рис. 10.7.

При осциллографическом наблюдении выходных характеристик мощных транзисторов можно непосредственно наблюдать искаже­ ния в виде петель, вызванные появлением горячих пятен [2143 (рис. 10.9). Экспериментальным подтверждением образования ло­ кальных областей перегрева в транзисторной структуре при появлении неоднородности в токораспределении является также изменение теплового сопротивления в зависимости от режима (рис. 9.8, 9.9).

Поскольку все вышеназванные явления зависят от степени не­ однородности в распределении тока и, в конечном счете, характери­ зуют состояние тепловой неустойчивости, представляет интерес более подробное рассмотрение параметров, определяющих термиче­ скую стабильность, и факторов, препятствующих ее возникновению или развитию.

10.2. Параметры, определяющие термическую устойчивость транзисторов

Основными параметрами, которые определяют термическую устойчивость мощных планарных транзисторов [226—229], яв­ ляются топология транзистора, уровень рассеиваемой мощности и температурный коэффициент эмиттерного тока ат.

1. Топология мощного ВЧ и СВЧ транзистора характеризует прежде всего тепловую связь между различными областями (ячейка­ ми) и общим теплоотводом.

На рис. 10.10, 10.11 представлены экспериментальные зави­ симости повышения температуры в любой точке кремниевого кри­ сталла толщиной 80 мкм от расстояния х от источника тепла при

284

установившемся распределении температуры (по данным работы [168]). Приведенные зависимости указывают на существование большого градиента температуры в пределах активной области прибора. Таким образом, температурные различия отдельных участ­ ков структуры могут быть достаточно большими, что приведет к общей тепловой неустойчивости прибора. Если же тепловая связь будет очень хорошей, то температурные различия в структуре будут невелики даже в том случае, когда отдельные участки рассеивают неодинаковую мощность.

Необходимо стремиться к созданию по возможности наиболее компактной и симметричной структуры транзистора. С другой стороны, уменьшение размеров активной области, в которой про­ исходит выделение тепла, приводит к росту теплового сопротивле­ ния и тем самым ограничивает общий уровень рассеиваемой мощ­ ности. Компромиссное решение может быть достигнуто путем разработки многоструктурного варианта мощных (в особенности СВЧ мощных) транзисторов, когда общая гребенчатая или многоэмиттерная структура разбивается на ряд отдельных симметрично расположенных структур меньшей площади, соединяемых па­ раллельно.

Авторы работ [165] и [228] отмечают, что возможности значительного уменьшения теплового сопротивления и достижения высокого уровня рассеиваемой мощности путем параллельного включения большого числа идентичных структур малой площади ограничены тем, что тепловое сопротивление не снижается строго обратно пропорционально числу объединяемых структур. Такой характер изменения теплового сопротивления объясняется тем, что эти структуры не могут быть расположены настолько далеко друг от друга, чтобы их тепловые потоки вовсе не перекрывались, а также тем, что невозможно обеспечить абсолютную идентичность ха­ рактеристик отдельных структур. Следовательно, по мере парал-

50мкм 150МКМ

285