Пути повышения быстродействия импульсных транзисторов

Для повышения быстродействия транзисторов в импульсных режимах работы необходимо уменьшить постоянные времени переходных процессов во всех трех областях: режиме отсечки (), активном режиме (, ) и режиме насыщения (). Можно выделить три направления по снижению инерционности транзисторов в импульсных схемах: конструкторское, физико-технологическое и схемотехническое.

Конструкция импульсного транзистора должна реализовать малые значения зарядной емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Топология полоскового эмиттера должна обеспечить необходимое отношение периметра эмиттера к площади базы () для переключения максимальных токов коллектора. Для обеспечения тепловой устойчивости и однородности токораспределения по площади эмиттера структура эмиттера может содержать технологические шунты эмиттер-база, как это было показано для ключа на основе составного транзистора по схеме Дарлингтона, а также небольшие балластные сопротивления в дискретных полосках эмиттера, как в СВЧ-транзисторах. Для уменьшения постоянной времени рассасывания () накопленного заряда в коллекторе расстояние от металлического контакта базы до края полоски эмиттера должно быть минимально.

При запирании транзисторного ключа в переходном режиме обратный ток базы закрывает периферию эмиттера, а в центре из-за падения напряжения на омическом сопротивлении базы эмиттер открыт, при этом плотность тока может на порядки превышать стационарное значение (рисунок 7.103, а). Этот инверсный эффект «оттеснения» эмиттерного тока к центру полоски эмиттера приводит к накоплению избыточного заряда с высокой концентрацией, что повышает , время рассасывания . Кроме того, из-за высокой плотности основных носителей в низколегированном n- коллекторе максимальное значение напряженности поля обратносмещенного коллектора сдвигается на границу n-n⁺ (эффект Кирка). При определенном значении плотности тока коллектора напряженность поля превышает критическое значение, при котором наступает ударная ионизация или лавинная инжекция, приводящая к возрастанию внутреннего обратного тока базы, усиливающего стягивание токового шнура. Напряжение, за время 10^–7 с, скачком уменьшается на десятки – сотни вольт и определяется током, ограниченным пространственным зарядом шнура. Явление резкого снижения обратного напряжения на переходе вследствие шнурования тока носит название вторичного пробоя. При выключении транзистора инициирующим процессом входа во вторичный пробой является электрическая неустойчивость. Поэтому этот вид вторичного пробоя носит название токового или электронного вторичного пробоя. При прямом смещении эмиттера преобладает тепловая неустойчивость, в результате чего происходит стягивание тока коллектора (инициирующий механизм – тепловая генерация носителей заряда) в шнур и выделение большой локальной мощности, приводящей к катастрофическому отказу транзистора.

Токовая форма вторичного пробоя (если не ограничить время менее 10^–8 с) сопровождается тепловой формой и отказом транзистора.

С увеличением величины внешнего обратного тока базы (форсированный режим выключения) площадь шнура уменьшается, что приводит к увеличению динамической плотности заряда и вторичному пробою. Поэтому предельное быстродействие при выключении транзистора ограничивается требованиями обеспечения безопасной работы.

 

 

 

 

                            

 

                                                     x                                                                          x

 

             n⁺                           

                                                                                    n⁺    p     n⁺

p

 

n                                                                                                     n

 

n⁺                                                                                                   n⁺

 

                  

             а)                                                                          б)

 

Рисунок 7.103 - Распределение плотности тока и избыточного заряда в транзисторе

 с полосковым (а) и полым эмиттером (б)

 

 

Одним из приемов повышения быстродействия при выключении транзистора является использование структуры с полым эмиттером (hollow emitter) (рисунок 7.103,б). В этой конструкции уменьшается вероятность сжатия тока в процессе выключения транзистора. Центральная часть эмиттера тоньше и легирована слабее, чем боковые области. Уровень легирования в центре порядка уровня легирования p- базы, так что коэффициент инжекции B_g существенно ниже, чем на периферии. Так как накопление избыточного заряда происходит вблизи базовых контактов, постоянные времени рассасывания и спада тока коллектора уменьшаются, что приводит к уменьшению времени выключения транзистора.

Другой широко используемый конструктивный прием уменьшения времени выключения заключается во встраивании барьера Шоттки в коллекторный переход транзистора. Эта конструкция используется в низковольтных транзисторах, в частности, транзисторах цифровых ИС, например, ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с барьером Шоттки) (рисунок 7.104, а).

 

 

                           а)                             б)                                  в)                                      

 

Рисунок 7.104 - Структура (а), эквивалентная схема (б), ВАХ барьера Шоттки

 и коллекторного p-n перехода (в)

 

 

Диод Шоттки формируется металлизацией «n‑ окна» в пассивной p- базе (рисунок 7.103,а). Металл дает омический контакт с p- базой, и барьер Шоттки – с n- коллектором. Эквивалентная схема такого транзистора приведена на рисунке 7.104,б. При подаче открывающего тока I_{B 1}, большего тока насыщения базы I_B.Sat, избыточный ток ∆I_B связан не с инжекцией носителей из базы в коллектор, а протекает по шунтирующему диоду Шоттки. Через коллекторный переход протекает очень маленький ток I_ic, который не создает избыточного заряда (рисунок 7.104,в)  поэтому  время выключения этого транзистора не содержит составляющей t₃^- и соответствует ненасыщенному ключу. Особенностью такого транзистора является повышенное на (0.3-0.4) В напряжение открытого ключа, что увеличивает мощность потребления в открытом состоянии. Однако уменьшение логического размаха выходного напряжения увеличивает быстродействие из-за снижения инерционности перезаряда паразитных емкостей (t ~ ).

Физико-технологическое направление повышения быстродействия транзисторов заключается в использовании материалов и технологий, обеспечивающих малое время жизни неравновесных носителей заряда в пассивных областях базы и коллектора. К таким способам относятся легирование структуры транзистора рекомбинационными примесями (Au, Pt для Si), радиационная обработка с последующим термоотжигом частицами с большой энергией ( -частицы), создание гетерогенных по площади и глубине рекомбинационных областей в базе и коллекторе (для сохранения коэффициента усиления В) и реализации малых времен жизни носителей заряда, как это описано в разделе 6.2.2. для повышения быстродействия импульсных диодов.

Схемотехническое или режимное направление повышения быстродействия заключается в использовании схем включения транзистора с меньшей инерционностью и входных сигналов, форсирующих переходные процессы включения и выключения.

Так, применение эмиттерного повторителя в качестве базового ключа в интегральных схемах позволило реализовать схемотехнику цифровых устройств на токовых переключателях ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) с максимальным быстродействием.

Отсутствие режима насыщения и отсечки и связанных с ними инерционностей, а также подавление эффекта Миллера (емкость коллекторного перехода по переменному току замкнута на входной генератор) обеспечивает высокое быстродействие этого семейства ИС. Другим примером повышения быстродействия является ключ на лавинном транзисторе (раздел 7.7.3).

 

Для ускорения процессов включения и выключения транзисторного ключа в цифровых схемах широко используется ускоряющая RC- цепочка (рисунок 7.105).

IB (t)

t

Uвых2

RH

U (t)

E

C

IB2

IB1

R

                      а)                                                              б)

Рисунок 7.105 - Ключ с ускоряющей RC- цепочкой (а) и форма базового тока (б)

 

При подаче прямоугольного импульса напряжения U (t)на вход RC- цепи в базе протекает ёмкостной ток заряда (рисунок 7.105,б)

                                                  ,

обеспечивающий большую степень насыщения n -транзистора и соответственно малое значение t_вкл. После заряда ёмкости протекает установившееся значения прямого тока базы, определяемое величиной R, I_{B 10} = U ₀ /R с малой степенью насыщения, а, следовательно, с малым накопленным избыточным зарядом. При окончании импульса U (t)заряженная ёмкость играет роль запирающего источника тока базы I_{B 2}, обеспечивающего высокую степень рассасывания (σ)и малое значение времени выключения.

При работе импульсного ключа в режимах, близких к предельному быстродействию транзистора, важную роль играют паразитные реактивности конструкции платы. Применение технологии поверхностного монтажа (раздел 2.3)позволяет минимизировать паразитные реактивности и повысить быстродействие импульсных схем.