Strana 2
Z preskúmania požiadaviek na parametre vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistorov je zrejmé, že úloha vytvorenia takýchto zariadení je spojená so súčasným zabezpečením vysokej medznej frekvencie, nízkej kolektorovej kapacity, vysokého prípustného rozptylu. výkon, nízky odpor saturácie a nízky tepelný odpor.
veľká sila výkonové tranzistory na báze nitridu gália umožňujú výkonovým elektronickým spínačom pracovať pri oveľa vyšších spínacích frekvenciách v porovnaní so silikónom. Zvýšená hustota výkonu na objem a hmotnosť, nižšie náklady, menšia spotreba materiálu a v prípade mobilného systému zvýšenie efektívnosti systému.
Simultánny výskyt extrémne vysokých spínacích frekvencií a vysokého prenosu výkonu si vyžaduje použitie špeciálnych inovatívnych indukčných komponentov. Vývoj takýchto zariadení je významnú časť spoločný projekt. V dôsledku vysokých strát energie v súčasnosti dostupné riešenia obmedzujú technicky praktickú frekvenciu spínania. Existujúce riešenia teda nie sú vhodné pre budúce aplikácie, ktoré vyžadujú vyššiu hustotu výkonu a vyššiu účinnosť.
Tepelný tok vo vysokovýkonnom vysokofrekvenčnom tranzistore teda musí prekonať odpor viacvrstvovej štruktúry, aby sa dostal k chladiču.
Vysokofrekvenčné zosilňovače a frekvenčné multiplikátory využívajú výkonné vysokofrekvenčné tranzistory. Väčšina z týchto tranzistorov je bipolárny kremík typu p-r- n, multiemitor, vyrobený planárno-epitaxiálnou technológiou.
Tento úspech je možné realizovať len prostredníctvom inovácií v oblasti indukčných komponentov. V oblasti riadenia, synchrónneho s použitou spínacou frekvenciou, sa budú v spoločnom projekte posudzovať nové problémy vyplývajúce z vyšších frekvencií. Medzi takéto problémy patrí napríklad širokopásmový zber dát a spracovanie signálu.
Oblasť leteckej elektroniky je jednou z možných oblastí použitia vyvinutého rezonančného meniča napätia. V tejto oblasti má prvoradý význam kompaktnosť a nízka hmotnosť. Množstvo škodlivých emisií vzbudzujúcich osobitné obavy, najmä v vysokých nadmorských výškach, možno znížiť znížením hmotnosti systému. Vďaka vysokej hustote výkonu je elektronika vhodná aj pre iné mobilné aplikácie. Nízke priestorové nároky, nízke nároky na chladenie a nízka hmotnosť sú rozhodujúce kritériá pre sektor mobility.
| Typ krytu TO-3. |
Konštrukcie puzdier, ktoré sú navrhnuté špeciálne pre vysokovýkonné vysokofrekvenčné tranzistory, budú diskutované v kap.
| Skupina vstupných statických charakteristík tranzistora v obvode so spoločnou bázou.| Skupina počiatočných statických charakteristík tranzistora v obvode so spoločným emitorom.| Skupina výstupov - [ OBRÁZOK ] - 18. Rodina výstupných statických charakteristík tranzistora v obvode charakteristík tranzistora so spoločnou bázou s parametrami - v obvode so spoločnou bázou emitorových relé. s parametrom - napätie | Rodina výstupných statických charakteristík tranzistora v obvode so spoločným emitorom s parametrom - prúd bázy.| Rodina výstupných statických charakteristík tranzistora v obvode so spoločným emitorom s parametrom - základné napätie. |
Metódy difúznej technológie sa používajú aj na výrobu vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistorov.
Ďalšie využitie nájdeme v napájaní pre serverové farmy alebo komunikačnej elektronike všeobecne. V súčasnosti dosiahla svetová spotreba energie na komunikačnú infraštruktúru obrovské rozmery. Okrem úspory materiálu je možné touto technológiou znížiť aj energetické straty. To má za následok nielen zvýšenie účinnosti, ale aj zníženie požiadaviek na chladenie.
Svojimi pestrými znalosťami výkonovej elektroniky, indukčných zariadení a leteckej elektroniky sa výborne dopĺňajú. Ako to už býva zvykom, trhnutie vpravo a koleno môže byť zavádzajúce, najmä ak zabudnete na obmedzenia v pôvodných manuáloch, ktoré boli potom umlčané, aby vytvorili „pravidlá“ pre nemyslenie.
Experimentálne bol študovaný fenomén redistribúcie prúdu cez oblasť vo vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistoroch. Sú opísané metódy, ktoré umožňujú odhaliť takúto vnútornú nestabilitu rozloženia prúdu pomocou nepriamych meraní.
Na zvýšenie strmosti čiel v zosilňovači impulzov možno použiť pomerne výkonné vysokofrekvenčné tranzistory, s ktorými je možné získať trvanie čiel impulzov rádovo 15 - 2 mikrosekúnd.
To samo o sebe vedie k celému radu kompromisov medzi týmito dvoma zariadeniami, ktoré nemajú nič spoločné s prevádzkovým napätím, prúdom alebo výkonom. Obe zariadenia sú schopné spracovať rovnaký výkon. Stratový výkon závisí hlavne od balenia a obe zariadenia sú dostupné v podobných baleniach.
Výhody pre riadenie napätia a prúdu nie sú také jednoduché a jednostranné, ako by ste si mohli myslieť. To dosahuje 5 mA pri 12 V alebo 60 mW. ešte raz, rôzne zariadenia budú mať rôzne kompromisy a zariadenia také zložité, ako sú tranzistory, nebudú úhľadne zapadať do jednoduchých kategórií, ktoré sa dajú použiť podľa všeobecných pravidiel. Neexistuje žiadna náhrada za skutočné pochopenie toho, čo sa deje, a následné zváženie kompromisov pre vašu konkrétnu aplikáciu, aby ste sa rozhodli, ktoré časti použiť.
Je potrebné ešte raz zdôrazniť, že vyššie uvedené úvahy o limitujúcich schopnostiach vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistorov sú len odhadom.
V § 7 - 1 bolo povedané, že vo vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistoroch je potrebné kombinovať vysokú medznú frekvenciu a malú kolektorovú kapacitu s nízkym saturačným odporom a veľkou hodnotou DRop. Veľký prípustný rozptylový výkon je možné zabezpečiť len pri dostatočne veľkej hodnote maximálneho prevádzkového prúdu alebo napätia. Ako bude uvedené v § 7 - 5, existujú určité úvahy v prospech skutočnosti, že vo vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistoroch je vhodné zvýšiť prevádzkový prúd a nie napätie.
Tranzistory sú aktívne komponenty a nachádzajú sa všade v elektronických obvodoch. Používajú sa ako zosilňovače a spínacie zariadenia. Ako zosilňovače sa používajú na vysokých a nízkych frekvenciách, oscilátory, modulátory, detektory a v akomkoľvek obvode, ktorý vyžaduje funkciu. V digitálnych obvodoch sa používajú ako spínače.
existuje veľké množstvo výrobcov po celom svete, ktorí vyrábajú polovodiče, takže sú ich doslova tisíce odlišné typy. Na obrázku je zobrazených niekoľko rôznych tranzistorov. ich Stavebný Materiál najčastejšie je to kremík alebo germánium. Pôvodný tranzistor bol vyrobený z germánia, no boli veľmi citlivé na teplotu. Kremíkové tranzistory majú väčšiu tepelnú stabilitu a ich výroba je oveľa lacnejšia.
Hoci frekvenčné charakteristiky tranzistorov s vrstvenou štruktúrou sú stále o niečo nižšie ako charakteristiky niektorých iných typov vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistorov, experimentálne vzorky takýchto zariadení už môžu zaťažiť 10–100 W pri frekvenciách rádovo 10– 100 MHz a až 800 W na 1 MHz.
V dôsledku vykonanej experimentálnej práce na príklade dvoch typov zariadení sa ukázalo, že vo vysokovýkonných vysokofrekvenčných tranzistoroch pri výkone nepresahujúcom maximálnu povolenú hodnotu dochádza k ostrému prerozdeleniu prúdu v oblasti tranzistorová štruktúra je možná.
Ryža. 1: Rôzne tranzistory. Existuje možnosť tretieho písmena, ale tieto písmená sa líšia od výrobcu k výrobcovi. Číslo nasledujúce za písmenom nie je pre používateľov dôležité. Na obrázku 1 je zobrazených niekoľko rôznych tranzistorov a symboly pre obvody sú na tranzistoroch s nízkym výkonom umiestnených v malých plastových alebo kovových puzdrách. rôznych tvarov. Bipolárne tranzistory majú tri vodiče: základňu, emitor a kolektor. Tento kolík je pripojený k zemi obvodu, aby chránil tranzistor pred možným vonkajším elektrickým šumom.
Konverzné tranzistory sú zaujímavé tým, že sa s nimi dajú získať tenké základné vrstvy veľkej plochy, ktoré sú potrebné na výrobu výkonnejších vysokofrekvenčných tranzistorov. V konverzných tranzistoroch sa difúzny emitorový prechod vytvára v dôsledku reverznej difúzie nečistoty z polovodiča do kovu emitorovej elektródy. Na tento účel sa používa germániová platňa (zdrojový materiál) obsahujúca donorové aj akceptorové nečistoty. Ako posledne menovaná sa používa meď, ktorá pri roztavení zliatiny žiariča prudko difunduje z germánia do žiariča.
Vysokovýkonné tranzistory sa líšia od nízkych a stredný výkon veľkosťou aj tvarom. Je dôležité, aby katalóg výrobcu resp technický popis vedel, ktorý vodič je pripojený ku ktorej časti tranzistora. Tieto dokumenty obsahujú informácie o správne použitie komponent, ako aj pinout. Umiestnenie drôtu a rôzne druhy kryty niektorých bežne používaných tranzistorov sú znázornené na schéme.
Obrázok 3: Pinouty pre niektoré bežné balíky. Tieto tranzistory sú tie, ktoré často uvidíte pri každodennej práci. Kolektor je pripojený k puzdru a je pripojený k zvyšku obvodu pomocou jednej zo skrutiek, ktoré pripevňujú tranzistor k chladiču.
Dostatočne malé hodnoty w je možné získať iba v tranzistoroch vyrobených difúziou alebo epitaxným rastom, preto len takéto zariadenia možno použiť ako vysokovýkonné vysokofrekvenčné tranzistory. Získanie tenkých báz v zliatinových tranzistoroch je technologicky veľmi náročné a ak by sa aj dali zohnať, potom by použitie takýchto tranzistorov bolo nepraktické kvôli nízkemu prieraznému napätiu.
Tranzistory používané pri veľmi vysokých frekvenciách majú kontakty rôznych tvarov. Táto technológia umožnila výrobcom dosiahnuť malé komponenty s rovnakými vlastnosťami ako ich väčšie náprotivky, a tak znížiť veľkosť a náklady na dizajn.
Ako sme povedali, existujú doslova tisíce rôznych tranzistorov, z ktorých mnohé majú podobné vlastnosti, čo umožňuje nahradiť neúspešný tranzistor iným. Vlastnosti a podobnosti nájdete v porovnávacích tabuľkách. Ak nemáte tieto schémy, môžete vyskúšať niektoré z tranzistorov, ktoré už máte. Ak obvod naďalej funguje správne, všetko je v poriadku. Musíte sa tiež uistiť, že výrez je správny, než ho prispájkujete na miesto a zapnete ho. Ako užitočný sprievodca poskytuje táto kapitola diagram, ktorý zobrazuje zoznam náhrad za niektoré bežne používané tranzistory.
(c) Vydavateľstvo rádia a komunikácie, 1985
Predslov
V modernej elektronike hrá mikroelektronika čoraz dôležitejšiu úlohu, ale značný význam má aj naďalej polovodičová technológia spojená s výrobou a používaním diskrétnych zariadení. Osobitné postavenie medzi diskrétnymi zariadeniami majú výkonné polovodičové súčiastky a najmä výkonné tranzistory. Majú široké uplatnenie v rôznych elektronických systémoch ako riadiace, regulačné a stabilizačné prvky. Výkonné polovodičové prvky - tyristory a tranzistory - fungujú ako spojovacie prvky medzi elektronickým systémom a akčnými jednotkami a mechanizmami. Riadenie mechanických a elektromechanických súčiastok (relé, elektromotory a pod.) je len jedným z možných využití výkonných tranzistorov. Okrem toho sa používajú v mnohých prevodných a zosilňovacích zariadeniach, v televíznej technike (v snímacích zariadeniach a napájacích zdrojoch), v zapaľovacích systémoch spaľovacích motorov, v impulzných zariadeniach atď.
Moderné výkonové tranzistory na báze nitridu gália umožňujú pracovať s výkonovými elektronickými obvodmi s výrazne vyššími spínacími frekvenciami ako s klasickými kremíkovými tranzistormi. Medzi výhody patrí zvýšená produktivita a hmotnosť, zníženie nákladov, úspora materiálu a príp mobilné systémy, čím sa zvyšuje efektívnosť celého systému.
Tieto extrémne vysoké spínacie frekvencie so súčasným vysokým vysielacím výkonom vyžadujú špeciálne inovatívne indukčné komponenty. Ich rozvoj je významnou súčasťou spoločného projektu. Dnešné riešenia obmedzujú technicky primerané spínacie frekvencie z dôvodu vysokých výkonových strát. Preto nie sú vhodné pre požiadavky budúcnosti, ktoré sa vyznačujú výrazne vyššou hustotou výkonu a zároveň vysokou účinnosťou. To sa dá dosiahnuť len inováciami v oblasti indukčných komponentov.
Jednou z najbežnejších tried výkonových tranzistorov sú vysokovýkonné vysokofrekvenčné (RF) zariadenia. Tranzistory sa podľa frekvenčných vlastností delia na nízkofrekvenčné (s medznou frekvenciou koeficientu prúdového prenosu do 3 MHz), vysokofrekvenčné (s medznou frekvenciou do 300 MHz) a mikrovlnné (s medznou frekvenciou do 3 MHz). medzná frekvencia nad 300 MHz). Výkonové tranzistory sa považujú za zariadenia, v ktorých povolený rozptylový výkon presahuje 1 W. V tomto prípade sa niekedy tranzistory so stratovým výkonom od 1 do 10 W nazývajú tranzistory so stredným výkonom a s vyšším rozptylovým výkonom - tranzistory s vysokým výkonom.
V oblasti technológie riadenia frekvencie a frekvencie vznikajú nové výzvy v dôsledku vysokých frekvencií, s ktorými sa pracuje v spoločnom projekte. Napríklad príjem a spracovanie širokopásmových meraní. Aby bolo možné využiť vysokú spínaciu frekvenciu, musí sa výpočtový výkon číslicových počítačov používaných na riadenie zvyšovať so zvyšovaním spínacej frekvencie v rovnakom rozsahu, alebo musia byť časti riadenia vykonávané podobným spôsobom.
Jednou z možných aplikácií rezonančného transformátora napätia je oblasť letectva, pretože tu je najväčší záujem o kompaktnosť a nízku vlastnú hmotnosť. Uvoľňovanie škodlivín, ktoré je nebezpečné najmä vo vysokých nadmorských výškach, je možné znížiť znížením hmotnosti systému. Vysoká hustota výkonu elektroniky je vhodná aj pre iné mobilné aplikácie. Rozhodujúcimi argumentmi sú malé priestorové nároky, nízka chladiaca stena a nízka hmotnosť.
Hlavnou oblasťou použitia vysokovýkonných RF tranzistorov sú komunikačné zariadenia. V tomto zariadení sú hlavnými prvkami výstupných zosilňovacích stupňov výkonné tranzistory. Ich úlohou je riadiť následné, výkonnejšie stupne alebo vytvárať výkonný výstupný signál privádzaný priamo do anténneho zariadenia.
Ďalšou oblasťou použitia je napájanie dátových centier a komunikačnej elektroniky všeobecne. Svetová spotreba energie na zabezpečenie modernej komunikačnej infraštruktúry je obrovská. Okrem šetrenia materiálu možno znížiť stratu výkonu, a tým zlepšiť nielen účinnosť, ale aj znížiť teplotu chladiacej steny.
Hoci sú tranzistory chrbticou modernej elektroniky s desiatkami typov a stovkami použití, obmedzíme našu analýzu len na jednu funkciu týchto komponentov: vypínač. Môže sa to zdať ako veľmi obmedzený pohľad na takýto všestranný komponent, ale pravdou je, že účelom tohto článku nie je teoretická štúdia elektroniky a je ťažké nájsť pre tento komponent inú funkciu, ktorá by nebola najlepšie vykonávaná cenovka k dispozícii.
Takmer všetky vysokovýkonné RF tranzistory sú v súčasnosti vyrobené z kremíka. Prevažná väčšina typov sériových vysokovýkonných kremíkových RF tranzistorov sú bipolárne zariadenia, aj keď v posledných rokoch sa začali vytvárať aj kremíkové vysokovýkonné RF tranzistory s efektom poľa. RF tranzistory s efektom poľa majú oproti bipolárnym zariadeniam množstvo významných výhod a jeden čas sa verilo, že bipolárne zariadenia budú musieť úplne ustúpiť tranzistorom s efektom poľa. Ako sa však objavovalo stále viac nových typov vysokovýkonných bipolárnych a RF kremíkových tranzistorov s efektom poľa, zistilo sa, že v porovnaní s RF bipolárnymi tranzistormi majú poľné zariadenia nielen výhody, ale aj nevýhody. To umožňuje uvažovať o tom, že v budúcnosti sa budú rozvíjať oba smery.
Vo všetkých tečie prúd medzi dvoma z troch vývodov tranzistora, riadený elektrickým signálom v treťom, ako je znázornené na obrázku. Bipolárne tranzistory Tieto tranzistory prechádzajú prúdom medzi dvoma terminálmi nazývanými kolektor a emitor, keď cez terminál nazývaný základňa prechádza oveľa menší prúd.
V skutočnosti pri absencii signálu, t.j. ako základný kolík, odpojený od obvodu, dva typy sú "vypnuté" bez prúdu. Obrázok 3 zobrazuje zjednodušené hydraulické analógie bipolárne tranzistory. Pri analýze čísel majte na pamäti, že hlavný ventil ovláda veľký ventil a nie druhý.
Bipolárne tranzistory môžu mať oboje n-p-n , tak p-n-p štruktúrou, vlastnosťami východiskových polovodičových materiálov a zvláštnosťami výrobnej technológie je však potrebné uprednostňovať tranzistory s n-p-n štruktúru. Preto sú moderné bipolárne výkonné RF kremíkové tranzistory takmer vždy n-p-n spotrebičov.
Kniha pojednáva o parametroch, vlastnostiach tranzistorových štruktúr a metódach výroby bipolárneho kremíka n-p-n výkonné RF tranzistory. Osobitná pozornosť sa venuje otázkam súvisiacim s ich spoľahlivosťou. Dôvodom sú dve okolnosti. Po prvé, vytvorenie zariadení uvažovanej triedy bolo možné len vďaka prísnej optimalizácii štruktúry tranzistora a návrhu tranzistora z hľadiska množstva parametrov. V tomto ohľade nie je takmer nikdy možné položiť v týchto zariadeniach významnú rezervu vzhľadom na obmedzujúce režimy prevádzky. Po druhé, prevádzkové podmienky zariadení tejto triedy sú dosť ťažké. Napríklad v skutočných zariadeniach existuje veľmi vysoká pravdepodobnosť krátkodobého, ale veľmi významného nesúladu zaťaženia, čo znamená prekročenie prípustných hodnôt prúdov alebo napätí alebo oboch súčasne. To všetko objasňuje dôležitú úlohu, ktorú problémy súvisia s ich spoľahlivosťou.
Vzhľadom na podobnosť charakteristík dvoch tried zariadení: vysokovýkonných RF a mikrovlnných tranzistorov sa problémy diskutované v knihe niekedy týkajú nielen RF, ale aj mikrovlnných zariadení. Avšak vo vývoji, dizajne a aplikácii výkonná mikrovlnná rúra tranzistorov, existuje množstvo špecifických problémov, o ktorých sa v tejto knihe nehovorí.
Dúfame, že táto kniha bude zaujímať vývojárov tranzistorov aj špecialistov, ktorí ich používajú v REE. Kapitoly 1, 2 a 4 napísal E. 3. Mazel, kap. 3 - I. I. Kaganová a A. I. Mirkin, kap. 5 - Yu. V. Zavrazhnov. Generálnu úpravu knihy vykonal E. Z. Mazel. Autori sú vďační Prof. Dr. Tech. Sci. Ya. A. Fedotov, ktorý sa ujal úlohy recenzie knihy a uviedol množstvo cenných poznámok.
