юрии завражнов, ирина каганова, евгении мазель альберт миркин

МОЩНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

(с) Издательство «Радио и связь», 1985

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современной электронике все большую роль играет микроэлектроника, но достаточно большое значение продолжает сохранять полупроводниковая техника, связанная с производством и применением дискретных приборов. Особое положение среди дискретных приборов занимают мощные полупроводниковые приборы и, в частности, мощные транзисторы. Они широко используются в различных электронных системах в качестве элементов управления, регулирования и стабилизации. Мощные полупроводниковые приборы - тиристоры и транзисторы - выступают в роли связующих элементов между электронной системой и исполнительными узлами и механизмами. Управление механическими и электромеханическими узлами (реле, электродвигателями и т. п.) - это только одно из возможных направлений использования мощных транзисторов. Кроме того, они находят применение в многочисленных преобразовательных и усилительных устройствах, в телевизионной технике (в устройствах развертки и источниках питания), в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в импульсной аппаратуре и др.

Один из наиболее распространенных классов мощных транзисторов - это мощные высокочастотные (ВЧ) приборы. По своим частотным свойствам транзисторы делятся на низкочастотные (с граничной частотой коэффициента передачи тока до 3 МГц), высокочастотные (с граничной частотой до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (с граничной частотой свыше 300 МГц). Мощными транзисторами принято считать приборы, у которых допустимая мощность рассеяния превышает 1 Вт. При этом иногда транзисторы с мощностью рассеяния от 1 до 10 Вт называют транзисторами средней мощности, а с более высокой мощностью рассеяния - транзисторами большой мощности.

Основная область применения мощных ВЧ транзисторов - связная аппаратура. В этой аппаратуре мощные тразисторы являются основными элементами выходных усилительных каскадов. Их задачей является управление последующими, более мощными каскадами или создание мощного выходного сигнала, подаваемого непосредственно в антенное устройство.

Практически все мощные ВЧ транзисторы в настоящее время изготавливаются из кремния. Абсолютное большинство типов серийных мощных кремниевых ВЧ транзисторов - это биполярные приборы, хотя в последние годы начали создавать и кремниевые мощные полевые ВЧ транзисторы [80]. Полевые ВЧ транзисторы обладают рядом существенных преимуществ по рравнению с биполярными приборами, и одно время считалось, что биполярные должны будут полностью уступить свое место полевым транзисторам. Однако по мере того, как появлялись все новые типы мощных биполярных и полевых ВЧ кремниевых транзисторов, обнаружилось, что по сравнению с биполярными ВЧ транзисторами полевые приборы обладают не только достоинствами, но и недостатками. Это дает возможность считать, что в дальнейшем будут развиваться оба направления.

Биполярные транзисторы могут иметь как n-p-n, так и p-n-p структуру, однако свойства исходных полупроводниковых материалов и особенности технологии изготовления заставляют отдать предпочтение транзисторам с n-p-n структурой. Поэтому современные биполярные мощные ВЧ кремниевые транзисторы - это практически всегда n-p-n приборы.

В книге рассмотрены параметры, особенности транзисторных структур и методы изготовления биполярных кремниевых n-p-n мощных ВЧ транзисторов. Особое внимание уделено вопросам, связанным с их надежностью. Это вызвано двумя обстоятельствами. Во-первых, создание приборов рассматриваемого класса стало возможным только благодаря жесткой оптимизации транзисторной структуры и конструкции транзистора по ряду параметров. В связи с этим заложить в эти приборы значительный запас относительно предельных режимов эксплуатации почти никогда не удается. Во-вторых, условия эксплуатации приборов данного класса являются достаточно тяжелыми. Так, например, в реальных устройствах очень велика вероятность кратковременного, но весьма значительного рассогласования нагрузки, влекущего за собой превышение допустимых значений токов или напряжений или того и другого одновременно Все это делает понятным ту важную роль, которую играют для мощных ВЧ транзисторов вопросы, связанные с их надежностью.

В связи с близостью характеристик двух классов приборов: мощных ВЧ и СВЧ транзисторов - вопросы рассматриваемые в книге, иногда относятся не только к ВЧ, но и к СВЧ приборам. Однако при разработке, конструировании и применении мощных СВЧ транзисторов возникает ряд специфических проблем, которые в данной книге не рассматриваются.

Мы надеемся, что данная книга представит интерес как для разработчиков транзисторов, так и для специа-

листов, применяющих их в РЭА. Главы 1, 2 и 4 написаны Е. 3. Мазелем, гл. 3 - И. И. Кагановой и А. И. Миркиным, гл. 5 - Ю. В. Завражновым. Общее редактирование книги осуществил Е. 3. Мазель. Авторы выражают благодарность профессору доктору техн. наук Я. А. Федотову, взявшему на себя труд по рецензированию книги и сделавшему ряд ценных замечаний.

Авторы будут признательны за критические замечания и предложения, которые следует направлять по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательства «Радио и связь».

ГЛАВА ПЕРВАЯ ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

1.1. ПАРАМЕТРЫ

Особенности структуры мощных ВЧ транзисторов (т. е. размеры и форма различных областей этой структуры, а также электрофизические характеристики этих областей) определяются требованиями к их параметрам.

Прежде всего от мощного ВЧ транзистора требуется, чтобы на рабочей частоте или в диапазоне рабочих частот он мог отдавать в нагрузку достаточно большую мощность. Для этого необходимо, чтобы транзистор мог пропускать большие токи и чтобы на нагрузке обеспечивался большой перепад напряжений. В ВЧ усилителях, например, перепад напряжений на нагрузке определяется напряжением источника питания. В усилителях класса В или АВ он примерно равен удвоенному напряжению питания. Если падение напряжения на открытом транзисторе велико, перепад напряжений на нагрузке заметно уменьшится. Напряжение источника питания в ВЧ усилителях, как правило, стандартизовано: 12,5 В - для питания портативной аппаратуры, от автомобильных источников питания, 27 В - для бортовой сети самолетов, некоторых видов стационарной аппаратуры и 50 В - в основном для стационарной аппаратуры. Эти значения определяют допустимые напряжения коллектор - эмиттер икэя мощных ВЧ транзисторов. Так, для транзисторов, питающихся напряжением 12,5 В (с учетом возможных перегрузок), допустимое напряжение uKSR может быть не более 30 - 40 В, для транзисторов, работающих при напряжениях питания 27 и 50 В, икэя соответственно должно составлять 65 - 75 В и не менее НО - 120 В.

Если важно получить максимально возможную мощность, отдаваемую транзистором в нагрузку, то для этого необходимо увеличивать максимальный рабочий ток. Увеличивать напряжение питания нежелательно в связи с тем, что переход к более высоковольтным транзисторам вызовет непропорционально резкое ухудшение других характеристик приборов.

Для транзисторов, работающих в ВЧ аппаратуре, коэффициент полезного действия (КПД) - отношение выходной мощности транзистора к мощности, потребляемой от источника коллекторного питания - ограничен и составляет от 30 - 35 (в недонапряженном режиме) до 70 - 75 % (в перенапряженном режиме). Значение КПД зависит и от свойств транзистора, и от схемы включения. Для различных схем включения КПД не может превосходить некоторого определенного значения (например, для усилителей класса В в критическом режиме он не превосходит 78 %).

Ограничение по КПД является причиной того, что максимальная выходная мощность транзистора может ограничиваться не только максимально допустимыми значениями рабочего тока транзистора и перепада напряжений на нагрузке, но и максимально допустимой мощностью рассеяния. Если nkmax - максимально достижимое значение КПД коллектора, а Рктах - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора, то nКmах==Рвыхmах/Рпотр==Рвых шах/ (Рктах + +Рвь1хп1ах). Здесь Рпотр - потребляемая мощность, а Рвыхтах - максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку. Отсюда

А вых шах - РК maxnK шах / (1 - Пкшах).(1.1)

Величина Рктах, если она не ограничивается максимально допустимым током и напряжением, связана с двумя тепловыми характеристиками транзистора: максимально допустимой температурой коллекторного перехода и внутренним тепловым сопротивлением между переходом и корпусом. Максимально допустимая температура коллекторного перехода ттах - температура, при которой транзистор может работать без ухудшения характеристик достаточно долго, не меньше, например, гарантийного времени минимальной наработки на отказ для данного конкретного типа приборов. Внутреннее тепловое сопротивление между переходом и корпусом прибора Ятпк - это отношение разности температур между коллекторным переходом и теплоотво-дящей плоскостью корпуса транзистора (в градусах Цельсия) к мощности, рассеиваемой на транзисторе в установившемся режиме. Между мощностью Ркшах, соответствующей определенному значению температуры корпуса тк прибора, максимально допустимой температурой перехода и внутренним тепловым сопротивлением существует связь:

РКшах= (Ттах- tk)/rt„,k-

Выражение (1.2) справедливо при предположении, что Ятп1 к - величина постоянная. В действительности тепловое сопротивление зависит от режима работы и, в частности, с увеличением мощности рассеивания тепловое сопротивление растет.

Для различных типов кремниевых транзисторов Ттах = 150 - 200 °С. Так как значение ттах не может быть сделано более высоким, для увеличения Рктах, а также для того, чтобы транзистор мог работать при достаточно высоких температурах на корпусе, следует стремиться к уменьшению Rm.

Как следует из (1.1), для увеличения отдаваемой мощности следует стремиться к увеличению максимально допустимой мощности рассеяния, а также к увеличению КПД. На практике КПД всегда ниже теоретического максимально достижимого значения. На значение КПД влияет сопротивление насыщения В транзисторах, у которых область насыщения выражена не очень резко, правильнее говорить о напряжении насыщения икэ нас или о падении напряжения на открытом транзисторе (рис. 1.1). Пусть при работе транзистора напряжение на коллекторе при увеличении тока до I1 уменьшается от значения u3 до u2, тогда можно считать, что падение напряжения на открытом транзисторе u2 совпадает с напряжением насыщения ЦКЭНАС ==U1, если при увеличении тока базы дальнейшего уменьшения напряжения на транзисторе не происходит. Однако в общем случае эти напряжения на открытом транзисторе могут не совпадать. Из рис. 1.1 видно, что с увеличением параметра ЦКЭНАС (или с ростом сопротивления насыщения = ЦКЭнас/11) растут бесполезные потери мощности в транзисторе и, следовательно, падает КПД.

Статический коэффициент передачи тока А21Э - отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных обратном напряжении коллектор - эмиттер и токе эмиттера в схеме ОЭ - в мощных ВЧ транзисторах не должен иметь особенно больших значений. Приборы этого класса работают на частотах,, составляющих заметную долю от граничной частоты fp. Это означает, что на верхней границе рабочего диапазона частот коэффициент передачи тока не будет превосходить по модулю несколько единиц. Таким образом, достаточно, чтобы статический коэффициент передачи тока был равен 20 - 30. Практически для мощных ВЧ транзисторов н21э может достигать значений 80 - 100, но надо стремиться к тому, чтобы не допускать более высоких значений, так как это может привести к уменьшению области безопасной работы. (При высоких значениях А21Э падает устойчивость транзисторов ко вторичному пробою, и в результате этого может уменьшиться область их безопасной работы.)

Мощные ВЧ транзисторы должны отдавать в нагрузку достаточно большую мощность во всем рабочем диапазоне частот. Это означает, во-первых, что прибор должен пропускать большие рабочие токи не только на низких, но и на высоких частотах, и, во-вторых, что усиление по мощности на верхней границе рабочего диапазона частот должно быть достаточно большим.

Рис. 1.1. Семейство выходных характеристик мощного ВЧ транзистора в схеме ОЭ

Первое условие связано с тем, что напряжение насыщения мощного ВЧ транзистора может на высоких частотах весьма значительно превосходить напряжение насыщения на постоянном токе. В результате может возникнуть положение, при котором транзистор будет способен пропустить большой ток на низкой частоте, а на высоких частотах его напряжение насыщения будет столь большим, что произведение этого напряжения на соответствующий ему ток превысит значение максимально допустимой рассеиваемой мощности коллектора. Следовательно, и на высоких частотах напряжение насыщения транзисторов должно быть достаточно малым. Из второго условия следуют требования к целому ряду параметров мощных ВЧ транзисторов. Воспользуемся каким-либо из выражений для коэффициента усиления по мощности транзистора на высокой частоте. (Здесь не играет особой роли, какое из них мы выберем, так как нас интересует лишь качественный характер зависимостей.) Возьмем, например, выражение для Кто из [1]:

Яур= («гр/й)) !/?н/[{ 1 +RHCH) (r,-f-u)TO£5+

Здесь со - рабочая частота; \уш = 2пт"гр (fp - граничная частота); rh - сопротивление нагрузки; гб - сопротивление базы; Ск - емкость коллекторного перехода; l3 - индуктивность эмиттерного вывода; Ск.а - емкость той части коллектора, через которую протекает ток из эмиттера. Это выражение выведено для условия малого сигнала. Поэтому оно может давать лишь качественное представление о том, как надо менять входящие в него величины, чтобы увеличить кур. Выражением (1.3) нельзя пользоваться для количественного определения Кур для больших сигналов.

Из (1.3) следует, что для повышения усиления мощности нужно увеличивать граничную частоту и уменьшать емкость коллекторного перехода, сопротивление базы и индуктивность эмиттерного вывода. Кроме того, для повышения кур целесообразно увеличивать сопротивление нагрузки. Последнее означает, что для улучшения усилительных характеристик мощных ВЧ транзисторов нужно работать на более высоких напряжениях. Однако повышение рабочего напряжения ведет к непропорционально резкому ухудшению таких па-