Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 1 )

ЮРИИ ЗАВРАЖНОВ,

ИРИНА КАГАНОВА,

ЕВГЕНИИ МАЗЕЛЬ

АЛЬБЕРТ МИРКИН

МОЩНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

(c) 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 специа­листов, применяющих их в РЭА. Главы 1, 2 и 4 напи­саны Е. 3. Мазелем, гл. 3 — и , гл. 5 — . Общее редактирование книги осуществил Е. 3. Мазель. Авто­ры выражают благодарность профессору доктору техн. наук , 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».

Авторы

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 UкэR 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, UкэR 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 nктах — максимально до­стижимое значение КПД коллектора, а Рктах — макси­мально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора, то nКmах==Рвыхmах/Рпотр==Рвых max/ (Рктах + +Рвыхmах). Здесь Рпотр — потребляемая мощность, а Рвыхтах — максимальная мощность, отдаваемая в на­грузку. Отсюда

P вых max — РК maxnK max/ (1 — nKmax).  (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 Rтп, к — 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 Ркmах, соответствующей определенному значению температуры корпуса Тк прибора, максимально допустимой темпера­турой перехода и внутренним тепловым сопротивлением существует связь:

PКmах= (Ттах — TK)/RTп, к.  (1.2)

Выражение (1.2) справедливо при предположении, что Rтп, 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 Tmах = 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 Rтп, к.