Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 203

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Из

уравнения

(10.22) с учетом

(10.23) можно получить

 

 

 

 

 

иа6(Ти) = иаб(Т1Г.п) + \Ки\тр^тк1вик9Яти-к.

 

 

(10.24)

Подставляя (10.24) в (10.17) при

условии Тр_п

=- Тк,

получим

вольтамперную характеристику эмиттерного р-п перехода

в следующем

виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I 3

=

FTl\x

 

 

 

 

Хехр <

<£go — Ч [^эб (Тр.п)+

I Кц

I /

э L/K3

RT п - к — Лэ (^э ст +

^ б п / ^ с т ) ] , Ѳ_

 

 

 

 

kTK

 

 

 

 

k I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.25)

где t/эО (Тр_п) — внешнее

напряжение

между выводами

эмиттера

и базы.

 

Д л я оценки величины дополнительного стабилизирующего сопротив­

ления

рассмотрим

теперь два эмиттера: п-й и /п-й. Распределение

примесей

в базе и толщина

базы характеризуются

величинами Fn

для

«-го

эмиттера

и Fm

для /и-го эмиттера. Тогда токи, протекающие через п-й

и от-й эмиттеры,

на основании (10.25) можно

записать в следующем виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

fsn

= Fn

ТІ\х

 

 

 

 

Xexn

( _

^ . - ? Г ^ а 6 ( У ^ + 1 ^ 1 ( У Я

Д - Г к М ; т ( ' - п + ^ < . / Д

с т ) 1 - е Г н 1

 

 

 

 

 

 

ЙТК

 

 

 

/•

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.26а)

 

 

 

 

^эти ^ - ^т

X

 

 

 

 

Хехр

 

^ о - ^ ^ б ( Г р - п ) + 1 ^ а | ( Г

р - » т - ^ ) - ^ т

+ ^ т / Д С Т ) ] - Ѳ ^ \

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.266)

где с целью упрощения обозначений принято, что гп и rm есть значения до­ полнительных сопротивлений, а гбп, гб m — значения сопротивлений пассив­ ной базы для я-го и пг-го эмиттеров соответственно.

Перепады температуры (Тр_пп—Тк)

под п-м и (Т

От—Тк)

под/п-м эмит­

терами на основании

работы

[183] приближенно

равны

 

TP.nn~TK

= IgnUK3RTn

+ R'T

| Р

Ь

(10.27а)

Тр.п

m ~ТК

= l a m U ^ R ^ + R ' ^ P t .

( '0.276)

 

 

 

 

l—i

 

 

где N в данном случае означает полное число эмиттеров; R? — тепловое соп­ ротивление корпус—теплоотвод; ,RT n и / ? т т — дискретные тепловые сопро­ тивления кристалл—корпус под указанными эмиттерами; Р\ •— мощность, выделяемая в коллекторном переходе под 1-м эмиттером.

Подставляя (10.27 а) и (10.27 б) в (10.26 а) и (10.26 б), соответственно получаем

I

48o-q

Г

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

1

U^(Tp-n)

+ \Ku\ImUKaRvn

+ \Ku\R!I

2 Р -

1 =F П е х р

-

L

 

 

kTK

 

г=і

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гп

+

бп

- ѳ г к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(,

(10.28a)

10*

 

 

 

 

 

 

291

'^FJl^i

 

 

 

x 2

Pi-lBm(rm

+

 

^L-)]-QTK\

 

 

 

 

.-1=1

 

'

 

C T

J

j

.

(10.286)

Логарифмируя

выражения

(10.28 а) и (10.28 б) и вычитая второе из пер­

вого при

условии,

 

что

RT

л =

R T m =

NRT

S i ,

где RT

S

i — полное

тепловое

сопротивление кристалл—корпус, получаем

следующее

уравнение:

 

1

/

э т

 

( r m — r n ) + 5 " 1

( г б т ~ л б п )

 

 

 

~~

' e n

1 +[(rn

+

 

r'6n/Bcr)-\Kv\RTnUKa]

 

 

 

 

kTK

 

 

\n(fam/Ian-Fn!Fm)

 

 

 

 

 

 

ql*n

\{rn +

r'6nlBCT)-\Ku\RvnU™}'

 

Из

трансцендентного

уравнения

(10.29)

можно

определить

отношение

токов / э

т / / э п при

любом

заданном токе Іап

через л-й

 

эмиттер. Кроме того,

из (10.29) также следует, что различие в токах через от-й и га-й эмиттеры умень­ шается (ІътИъп ->• 1) с ростом величины дополнительного сопротивления гп. На рис. 10.15 показаны зависимости l a m l l a n = f Um), рассчитанные из урав­ нения (10.29) методом последовательных приближений, для мощного кремние­ вого транзистора КТ907 [235] для трех значений стабилизирующего сопро­

тивления

гп = 3 ,

 

10

и 30 Ом и при

типичных

технологических

разбросах

rm — rn

— 0 , l r n ,

 

Fn

— Fm

— 0,15

Fn.

Поскольку

при

обычных

значениях

поверхностного

сопротивления

пассивной

базы

Rs

п =

100—300 Ом/квад­

рат,

Вст

 

>

30

и

 

отношениях Ad/Za

<

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

;

 

 

:"'

 

 

 

 

г'6п

=

RsnAd

< 0 , 5

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— —

 

—

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вст

Вст 2Z3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(где

Za

—длина

эмиттера,

a

Ad—расстояние

от

края

эмиттера до края ба­

зовой

металлизации),

то величинол г'6п/В

можно

пренебречь

по

сравнению

с

г п .

 

При

построении

зависимостей

Iatnlha=f

(Іэп)

напряжение

на

коллек­

торе

 

полагалось

равным

£ / ю

= 20 В,

число

эмиттеров

60,

а

тепловое

сопро­

тивление

участка

кристалл—корпус

RrSi

=

5°С/Вт;

следовательно,

 

RTn

=

= NRT^-l=

 

300° С/Вт.

Дл я

типичных

значений

^

 

„ ( Г ) =

0,72 — 0 , 7 7 В

и

полных

токов

эмиттера

/ э

=

0.1 — 1 А

величина

термического

коэффициента

эмиттерного

напряжения

 

согласно

формуле (10.21) равна

I Кц I Ä

1,8х

Х І 0 - 3 В / ° С ( ^ 0 = 1 , 2 1 э В , Г К = 3 0 0 К ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из рис. 10.15 видно, что при гп = 30 Ом отношение токов для двух

эмиттеров

не зависит

от величины тока, а при гп

 

=

3 Ом отношение

 

 

Iam/Ian

быстро убывает и достигает значения

ж 0,04 при Іап

=

10 мА ( / э =

 

0,6

А).

В

последнем

случае

при гп

=

3 Ом,

очевидно, сказывается влияние пере­

грева на

эмиттерный

ток. В самом деле,

произведение

/ э „

| Кц | UmRTn

=

= Ian-10,8

 

Ом значительно больше

падения

напряжения

на

стабилизирую­

щем

 

сопротивлении

Івпгп

 

=

/ э „ - 3

Ом [см.

(10.28)

и (10.29)], так что роль

этого

 

сопротивления

становится незначительной. Поскольку при доста­

точно больших значениях стабилизирующих сопротивлений гп

отношение

Іэт/Іэп

 

остается

почти

постоянным

в широком

диапазоне

токов

(кривая

/•„=30

Ом

на рис. 10.15),

можно

получить простую

формулу

для

мини­

мальной

величины гп.

Д л я

этого в формуле (10.29) максимально

допустимый

2 92

разброс токов для двух эмиттеров полагаем равным 15% (т. е. ІдтІІ9п

 

= 0,85),

разброс

эмиттерных

сопротивлений — 10% (т. е. гт

— гп =

0,1 rn),

а для

величин

Fm

и Fn — 15% (Fn =

0,85 Fm). При вышеуказанных

значениях

второй член

в формуле (10.29) равен

нулю. Отсюда легко получаем, что

 

 

 

^ = 2 , 3 4 1 ^ 1 ^ ^ ,

 

 

 

 

(10.30)

Для триода

КТ907,

рассмотренного

выше, с £ ? т

5 і = 5 ° С/Вт,

/Ѵ =

60,

\К.и\ =

= 1 , 8 - Ю - 3

В/°С для с / к э = = 2 5 В

из

формулы

(10.30)

находим г п = 32 Ом,

т. е. rg с т = гп /7Ѵ = 0,54 Ом .

 

 

 

 

 

 

 

Существуют различные пути введения стабилизирующих эмит­ терных сопротивлений. Наиболее оптимальным из них является создание дискретных стабилизирующих сопротивлений непосредст­ венно в цепи каждого отдельного эмиттера. В ряде случаев, однако, такой способ не может быть применен или из-за появления значи­ тельной добавочной паразитной емкости, или просто из-за невозмож­ ности выполнить такие сопротивления в связи с малыми размерами элементов и межэлементных расстояний. Равномерной токовой на­ грузки можно добиваться также путем разработки таких структур, в которых один резистор приходится на группу эмиттеров или же при использовании многослойной металлизации. Последний способ следует признать перспективным, поскольку он не увеличивает размеров структуры. Технологические способы создания стабили­ зирующих эмиттерных сопротивлений весьма разнообразны:

1) создание диффузионных резисторов; такие резисторы могут быть получены или с помощью дополнительного легирования (см. рис. 9.15, а), или путем использования участка диффузионного слоя эмиттера;

2) образование тонкопленочных дискретных резисторов путем вакуумного распыления подходящего материала (например, нихрома) и последующей фотолитографической обработки его (см. рис. 9.15, б);

3)использование в качестве резистора части алюминиевого электрода, с помощью которого осуществляется контакт с эмит­ терной областью;

4)введение между транзисторной структурой и эмиттерным выводом элементов, действующих в качестве резисторов (например,

Рис.

10.15.

Зависимость отношения

 

 

 

/э т//э n токов

через

т - й и n-й эмит­

 

 

 

теры от тока h п через n-й эмиттер

 

 

 

для

трех

значений

эмиттерных ста­

10

20

30

билизирующих

сопротивлений.

 

 

 

293

кристалла кремния с выполненными на нем дискретными резисто­ рами);

5) создание многослойных систем металлизации, совместимых

срисунком эмиттерной области транзисторной структуры.

Врезультате введения добавочных стабилизирующих сопро­ тивлений в эмиттерной цепи появляется некоторое суммарное со­ противление, способствующее уменьшению коэффициента ат и по­ вышению термической устойчивости транзистора.

Существует большое количество публикаций, в которых про­ ведено экспериментальное исследование влияния стабилизирую­ щих резисторов нарасширение области безопасной работы мощных

транзисторов.

На

рис.

10.16

представлены

зависимости

/ к =

/ ( ^ э б )

Д л я

60-ваттного транзистора

ЗТЕ130

(ІТТ) без стабилизи­

рующих

резисторов

и с

ними

[230].

Из сравнения этих

кривых

видно, что если в первом случае область отрицательного сопротив­ ления, указывающая на возникновение тепловой нестабильности, появляется уже при напряжении UK = 10 В, то при введении ста­ билизирующих эмиттерных сопротивлений диапазон UK расши­ ряется до 20—25 В. Оценка влияния величины последовательного сопротивления в эмиттере, базе и коллекторе на уровень рассеивае­ мой мощности для случая параллельной комбинации двадцати ма­ ломощных транзисторов, выполненная авторами работы [236], позволила увеличить мощность рассеяния экспериментального транзистора FT7207 с 6 до 40 Вт (при напряжении £/к э = 40 В) путем подбора соответствующего номинала стабилизирующих эмит­ терных резисторов (рис. 10.17).

Очевидно, что увеличение значения добавочного эмиттерного резистора за счет реализации большего 'номинала дискретных стабилизирующих резисторов в цепи каждого эмиттера в любом случае приведет к расширению области безопасной работы тран­ зистора. Данное обстоятельство проиллюстировано на рис. 10.18 [237] для многоэмиттерного (128 отдельных эмиттерных областей) эпитаксиально-планарно^о транзистора ME 128 с мощностью рас­

сеяния

50 Вт и /г =

50 МГц. Следует помнитѵ, однако,

что суще­

ствует

определенный

предел повышения величины г э с т ,

превыше­

ние которого влечет за собой изменение других электрических ха­ рактеристик прибора. Так, например, для упомянутого транзистора МЕ128 при увеличении значения отдельного стабилизирующего сопротивления гп с 2,5 до 40 Ом величина напряжения коллектор — эмиттер в режиме насыщения возросла в 5 раз. В случае мощных ВЧ и СВЧ транзисторов высокие значения добавочного сопротивле­ ния могут привести к существенному ухудшению выходных пара­ метров ( Р В Ь І Х , К Р , Л) н а высокой частоте.

Введение стабилизирующих эмиттерных резисторов, несом­ ненно, является одним из самых эффективных способов улучшения тепловой стабильности и повышения устойчивости мощных тран­ зисторов по отношению ко вторичному пробою в условиях прямого смещения перехода эмиттер — база.

294

Смотрите также файлы