Cтраница 2
Из проведенного рассмотрения требовании к параметрам мощных высокочастотных транзисторов видно, что задача создания подобных приборов связана с одновременным обеспечением высокой граничной частоты, малой емкости коллектора, большой допустимой мощности рассеяния, малого сопротивления насыщения и малого теплового сопротивления.
Высокомощные силовые транзисторы на основе нитрида галлия позволяют силовым электронным переключателям работать на гораздо более высоких частотах переключения по сравнению с силиконовыми. Повышенная плотность мощности на объем и вес, снижение затрат, меньшее использование материалов и, в случае мобильной системы, повышают эффективность системы.
Одновременное появление чрезвычайно высоких частот переключения и высокой передаваемой мощности требует использования специальных инновационных индуктивных компонентов. Разработка таких устройств составляет значительную часть совместного проекта. Из-за больших потерь мощности имеющиеся решения сегодня ограничивают технически практическую частоту переключения. Таким образом, существующие решения не подходят для будущих приложений, которые требуют одновременно более высокой плотности мощности и более высокой эффективности.
Таким образом, тепловой поток в мощном высокочастотном транзисторе, чтобы попасть на теплоотвод, должен преодолеть сопротивление многослойной структуры.
В высокочастотных усилителях и умножителях частоты применяются мощные высокочастотные транзисторы. Большинство таких транзисторов - биполярные кремниевые типа п-р - п, многоэмиттерные, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии.
Это достижение может быть реализовано только благодаря инновациям в области индуктивных компонентов. В области управления, синхронной с применяемой частотой коммутации, новые проблемы, возникающие из-за более высоких частот, будут рассмотрены в совместном проекте. К таким проблемам относятся, например, широкополосное получение данных и обработка сигналов.
Поле аэронавигационной электроники является одной из возможных областей применения для разрабатываемого преобразователя резонансного напряжения. В этом поле компактность и малый вес имеют первостепенное значение. Количество вредных выбросов, вызывающих особую озабоченность, особенно на высоких высотах, может быть уменьшено за счет снижения веса системы. Благодаря своей высокой плотности мощности электроника также хорошо подходит для других мобильных приложений. Низкие требования к пространству, низкий спрос на охлаждение и низкий вес являются решающими критериями для сектора мобильности.
| Корпус типа ТО-3. |
Конструкции корпусов, которые разработаны специально для мощных высокочастотных транзисторов, будут рассмотрены в гл.
| Семейство входных статических характеристик транзистора в схеме с общей базой.| Семейство иходных статических характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером.| Семейство выход - [ IMAGE ] - 18. Семейство вы-ных статических характери - ходных статических ха-стик транзистора в схеме рактеристик транзистора с общей базой при парамет - в схеме с общей базой ре - ток эмиттера. при параметре - напря.| Семейство выходных статических характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером при параметре - ток базы.| Семейство выходных статических характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером при параметре - напряжение базы. |
Методы диффузионной технологии используются также для изготовления мощных высокочастотных транзисторов.
Другое использование можно найти в источнике питания для ферм серверов или коммуникационной электроники в целом. Сегодня мировое потребление энергии для инфраструктуры связи достиг огромных размеров. В дополнение к экономии материала с этой технологией потери мощности также могут быть уменьшены. Это приводит не только к повышению эффективности, но и к снижению требований к охлаждению.
Обладая разнообразными знаниями в области силовой электроники, индуктивных устройств и аэронавигационной электроники, они идеально дополняют друг друга. Как обычно, правильные и коленные рефлексы могут вводить в заблуждение, особенно если забыть об ограничениях в первоначальных руководствах, которые затем были заглушены, чтобы сделать «правила» для немыслия.
Экспериментально исследовано явление перераспределения тока по площади в мощных высокочастотных транзисторах. Описаны методы, позволяющие с помощью косвенных измерений выявить подобную внутреннюю неустойчивость токораспределения.
Для увеличения крутизны фронтов в усилителе импульсов можно применять сравнительно мощные высокочастотные транзисторы, с которыми можно получить длительность фронтов импульсов порядка 1 5 - 2 мксек.
Это само по себе приводит к целому ряду компромиссов между этими двумя устройствами, не имеющими никакого отношения к рабочему напряжению, току или мощности. Оба устройства способны обрабатывать одну и ту же мощность. Рассеиваемая мощность в основном зависит от пакета, и оба устройства доступны в аналогичных пакетах.
Преимущества для управления напряжением и течением не так просты и односторонние, как другие, на которые вы могли бы поверить. Это достигает 5 мА при 12 В или 60 мВт. Опять же, разные устройства будут иметь разные компромиссы, а устройства, такие сложные, как транзисторы, не будут аккуратно падать в простые категории, которые поддаются эмпирическим правилам. Нет никакой замены, чтобы реально понять, что происходит, а затем взвешивать компромиссы для вашего конкретного приложение, чтобы решить, какие части использовать.
Следует еще раз подчеркнуть, что проведенное рассмотрение предельных возможностей мощных высокочастотных транзисторов носит лишь оценочный характер.
В § 7 - 1 было сказано, что в мощных высокочастотных транзисторах требуется сочетать высокую граничную частоту и малую емкость коллектора с малым сопротивлением насыщения и большой величиной ЯДОп. Большая допустимая мощность рассеяния может быть обеспечена только при достаточно большой величине максимального рабочего тока или напряжения. Как будет рассмотрено в § 7 - 5, имеются определенные соображения в пользу того, что в мощных высокочастотных транзисторах целесообразно увеличивать рабочий ток, а не напряжение.
Транзисторы являются активными компонентами и встречаются повсюду в электронных схемах. Они используются как усилители и коммутационные устройства. В качестве усилителей они используются на высоких и низких частотах, генераторах, модуляторах, детекторах и в любой цепи, требующей выполнения функции. В цифровых схемах они используются в качестве переключателей.
Существует большое количество производителей по всему миру, которые производят полупроводники, поэтому существует буквально тысячи разных типов. Несколько различных транзисторов показаны на. Их строительный материал чаще всего является кремнием или германием. Оригинальный транзистор был изготовлен из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые транзисторы обладают большей термостойкостью и намного дешевле в производстве.
Хотя частотные характеристики транзисторов со слоистой структурой пока несколько уступают характеристикам некоторых других типов мощных высокочастотных транзисторов, экспериментальные образцы подобных приборов уже могут дать в нагрузку 10 - 100 вт на частотах порядка 10 - 100 Мгц и до 800 вт на 1 Мгц.
В результате проделанной экспериментальной работы на примере двух типов приборов показано, что в мощных высокочастотных транзисторах при мощности, не, превышающей максимально допустимой, возможно резкое перераспределние тока по площади структуры транзистора.
Рис. 1: Различные транзисторы. Существует возможность третьего письма, но эти письма варьируются от производителя к производителю. Число, следующее за письмом, не имеет значения для пользователей. Несколько разных транзисторов показаны на фото 1, а символы для схем находятся на транзисторах низкой мощности, размещены в небольших пластиковых или металлических корпусах различной формы. Биполярные транзисторы имеют три провода: для базы, эмиттера и для коллектора. Этот вывод подключается к заземлению цепи, чтобы защитить транзистор от возможных внешних электрических помех.
Конверсионные транзисторы интересны тем, что в них могут быть получены тонкие базовые слои большой площади, необходимые для изготовления более мощных высокочастотных транзисторов. В конверсионных транзисторах диффузионный эмиттерный переход образуется за счет обратной диффузии примеси из полупроводника в металл эмиттерного электрода. Для этой цели служит пластинка германия (исходный материал), содержащая одновременно донорные и акцепторные примеси. В качестве последней применяется медь, которая при вплавлении эмиттерного сплава энергично диффундирует из германия в эмиттер.
Транзисторы высокой мощности отличаются от малой и средней мощности, как по размеру, так и по форме. Важно, чтобы каталог производителя или техническое описание знали, какой провод связан с какой частью транзистора. В этих документах содержится информация о правильном использовании компонента, а также схема выводов. Размещение проводов и различных типов корпусов для некоторых обычно используемых транзисторов приведено на диаграмме.
Рисунок 3: Распиновки некоторых распространенных пакетов. Эти транзисторы - это те, которые вы часто встретите в повседневной работе. Коллектор подключен к корпусу, и он подключается к остальной части цепи через один из винтов, которые крепят транзистор к радиатору.
Достаточно малые величины w могут быть получены только в транзисторах, изготовленных с помощью диффузии или эпитаксиального выращивания, поэтому в качестве мощных высокочастотных транзисторов могут использоваться только такие приборы. Получение тонких баз в сплавных транзисторах технологически весьма сложно, да и если бы их можно было получить, то использование таких транзисторов было бы нецелесообразно из-за низкого напряжения прокола.
Транзисторы, используемые с очень высокими частотами, имеют контакты различной формы. Эта технология позволила изготовителям достичь крошечных компонентов с теми же свойствами, что и их более крупные аналоги, и, следовательно, уменьшить размер и стоимость конструкции.
Как мы уже говорили, есть буквально тысячи различных транзисторов, многие из которых имеют схожие характеристики, что позволяет заменить неисправный транзистор на другой. Характеристики и сходства можно найти в сравнительных диаграммах. Если у вас нет этих диаграмм, вы можете попробовать некоторые из транзисторов, которые у вас уже есть. Если цепь продолжает работать правильно, все в порядке. Также необходимо убедиться, что вырез правильно, прежде чем припаять его на место и включить питание. В качестве полезного руководства в этой главе приведена диаграмма, которая показывает список замен для некоторых часто используемых транзисторов.
(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.
Современные силовые транзисторы на основе нитрида галлия позволяют работать с силовыми электронными схемами со значительно более высокими частотами переключения, чем с обычными кремниевыми транзисторами. К преимуществам относятся увеличение производительности и веса, снижение затрат, экономия материалов и, в случае мобильных систем, повышение эффективности всей системы.
Эти чрезвычайно высокие частоты переключения с одновременной высокой мощностью передачи требуют специальных инновационных индуктивных компонентов. Их разработка представляет собой значительную часть совместного проекта. Сегодняшние решения ограничивают технически разумные частоты переключения из-за больших потерь мощности. Поэтому они не подходят для требований будущего, которые характеризуются значительно более высокой плотностью мощности и в то же время высокой эффективностью. Это может быть достигнуто только благодаря инновациям в области индуктивных компонентов.
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.
В области технологии частотно-частотного управления возникают новые проблемы в результате высоких частот, которые обрабатываются в ходе совместного проекта. Например, получение и обработка широкополосных измерений. Чтобы иметь возможность использовать преимущества высокой частоты переключения, вычислительная мощность цифровых компьютеров, используемых для управления, должна увеличиваться с увеличением частоты переключения в той же степени, или части управления должны выполняться аналогичным образом.
Одной из возможных областей применения трансформатора резонансного напряжения является область аэронавтики, поскольку здесь наибольший интерес представляют компактность и низкий мертвый вес. Выброс загрязняющих веществ, который особенно опасен на больших высотах, может быть снижен за счет снижения веса системы. Высокая плотность мощности электроники также подходит для других мобильных приложений. Решающими аргументами являются небольшие требования к пространству, низкая охлаждающая стена и низкий вес.
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.
Другой областью применения является электропитание центров обработки данных и коммуникационной электроники в целом. Мировое потребление энергии для обеспечения современной коммуникационной инфраструктуры огромно. В дополнение к экономии материала потери мощности могут быть уменьшены, и, таким образом, можно не только повысить эффективность, но и снизить температуру охлаждающей стенки.
Хотя транзисторы являются основой современной электроники, с десятками типов и сотен применений, мы ограничимся анализом только одной функции этих компонентов: переключателем включения-выключения. Это может показаться очень ограниченным взглядом на такой универсальный компонент, но правда в том, что цель этой статьи - не теоретическое исследование электроники, и трудно найти другую функцию для этого компонента, которая не лучше всего выполняется ценовой интегральной схемой доступны.
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 . 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.
Во всех из них ток течет между двумя из трех терминалов транзистора, контролируемых электрическим сигналом в третьем, как показано на рисунке. Биполярные транзисторы Эти транзисторы пропускают ток между двумя терминалами, называемыми коллектором и эмиттером, когда через терминал, называемый базой, пропускается намного меньший ток.
Фактически, при отсутствии сигнала, т.е. в качестве базового штыря, отсоединенного от схемы, два типа «выключены» без тока. На рисунке 3 показаны упрощенные гидравлические аналогии биполярных транзисторов. Чтобы проанализировать цифры, следует иметь в виду, что основной клапан управляет большим клапаном, а не другим.
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. 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.
