10.1. Конструкция биполярных свч-транзисторов

10.1.1. Структура биполярных свч-транзисторов

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) — это класс твердотель­ных приборов для усиления, генерирования и умножения частоты колебаний на частоте свыше 0,3 ГГц. Их выходные мощности Р₁ в нижней части частотного диапазона достигают сотен ватт в непре­рывном режиме, доходят до киловатта в импульсном режиме, снижа­ются до десятков милливатт в верхней части диапазона. Область при­менения мощных (с выходной мощностью более 1 Вт) БТ СВЧ — примерно до 10 ГГц. Маломощные БТ СВЧ (десятки милливатт) имеют частотный потолок в несколько раз выше. Как правило, чем выше рабочая частота, тем меньше номинальная мощность транзис­тора. Например, импульсный транзистор типа 2Т9134А (сборка из двух транзисторов), предназначенный для работы в диапазоне частот 0,6... 1,5 ГГц, имеет выходную мощность 1000 Вт на 1,5 ГГц; тран­зистор типа 2Т9135 с рабочим диапазоном частот 2... 10 ГГц на 10 ГГц отдает мощность 3 Вт.

По механизму переноса носителей заряда БТ СВЧ являются дрей­фовыми — в них переносителей происходит не только благодаря процессу диффузии, как в бездрейфовых, но и благодаря дрейфу в электрическом поле. Первые плоскостные транзисторы, изготовлен­ные в 1951 г., были бездрейфовыми. По технологии они были сплав­ными. Для них характерно равномерное распределение примесей в базе. У них электрическое поле внутри базовой области отсутствует, носители, инжектированные эммитером, движутся относительно медленно только вследствие диффузии за счет градиента концентра­ции, а потому граничные частоты их невысоки (не более 30 МГц).

Дрейфовые транзисторы были предложены в 1953 г. Крёмером (Гер­мания). Их изготовление и применение начались с 1956 г. фирмой Bell (США). Их особенность — неравномерное распределение при­месей полупроводника в базе, создаваемое в нем для повышения ско­рости движения носителей заряда и граничной частоты БТ. Поясним суть дела. Пусть имеется БТ р—п— р -типа. В его базу введена пяти­валентная донорная примесь, легко отдающая электроны, причем концентрация примеси высока со стороны эмиттера и убывает в направлении к коллектору. Освободившиеся из атомов донора пятые электроны внешней атомной оболочки из слоев с более высокой кон­центрацией диффундируют, стремясь выровнять концентрацию оди­наковых частиц в доступном им объеме, в сторону коллекторного перехода. Поскольку база в целом нейтральна, после ухода электро­нов из области высокой концентрации донора там остаются неском-пенсированные положительные заряды ионов примеси. Одновре­менно в области низкой концентрации примеси ушедшие электроны накапливаются, создавая там отрицательный заряд. Возникает элект­рическое поле в базе, препятствующее дальнейшему диффузионному уходу электронов с эмиттерной стороны базы в сторону коллектора. Если теперь в базе появятся инжектированные эмиттером дырки, то для них созданное электрическое поле окажется ускоряющим. Поэ­тому время пролета дырок через базу становится гораздо меньше. Составляющая средней скорости движения носителей заряда, обус­ловленная ускоряющим действием поля, называется дрейфовой.

По структуре большинство мощных БТ СВЧ относится к п—р—п-типу. Они более высокочастотные, потому что электроны, являющи­еся неосновными носителями в базе и играющие главную роль в переносе зарядов, более подвижны, чем дырки в базе р—п— р -прибора, и имеют больший коэффициент диффузии.

По методу образования переходов современные БТ СВЧ являются эпитаксиально-планарными. Эпитаксия — это наращивание, чаще из газовой фазы, монокристаллических слоев чистого кремния (или кремния с р- или n-примесью) на кристаллическую основу, при кото­ром кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя сохра­няет ориентацию основы: отличительная особенность планарной структуры — выход переходов эмиттер—база и коллектор—база и выводов эмиттера, базы и коллектора на одну сторону кристалла. Планарной технологии предшествовали технологии: сплавная (пер­вые плоскостные транзисторы), ограниченная частотным потолком 30 МГц, а потому непригодная для СВЧ-приборов; диффузионношынная (до 1000 МГц), технологически простая, но для нее харак­терны плохая повторяемость, относительно большая емкость коллектора, большое сопротивление насыщения коллектора, плохие температурные свойства, малое пробивное напряжение коллектора; мезадиффузионная, имеющая эти же недостатки, но позволившая значительно уменьшить емкость коллекторного перехода. Важней­шие преимущества, которые дала эпитаксиальная технология с двух­слойным коллектором, — низкое сопротивление тела коллектора, его малая емкость, высокое пробивное напряжение коллекторного пере­хода.

Для всех БТ СВЧ, кроме самых маломощных, характерна многоэмиттерная (гребенчатая, сетчатая) структура.

Сравнительно простая «сплошная» транзисторная структура, при­менявшаяся в мощных низкочастотных приборах, непригодна в мощ­ных БТ СВЧ из-за эффекта оттеснения тока через эмиттерный пере­ход к периферии эмиттерной области. Этот эффект имеет место и на низких частотах, но особенно сильно выражен на СВЧ. Суть дела поясняется на рис. 10.1.

На рис. 10.1, а показаны «сплошная» транзисторная структура и протекание токов в ней. Как видно, линии коллекторного тока, сим­волизирующие плотность тока, распределены неравномерно под эмиттером: они гуще у правого края эмиттера, со стороны контакта базы. Это объясняется представленным на рисунке распределением напряжения на эмиттерном переходе, которое управляет коллектор­ным током. Напряжение на эмиттерном переходе Е_П в любом месте вертикального сечения структуры является разностью внешнего напряжения Е_б.э, приложенного между внешними выводами база—

эмиттер, и падения напряжения в теле базы за счет поперечного (по отношению к направлению тока коллектора) тока базы. Видно, что линии тока базы, начинающиеся в полупроводнике от контакта базы, принимают затем направление вдоль слоя базы под эмиттером. Эти токи создают поперечное по отношению к току коллектора падение напряжения. В результате напряжение Е_П на эмиттерном переходе, управляющее коллекторным током, оказывается самым малым на левом краю, наиболее удаленном от контакта базы. Дело усугубля­ется тем, что коллекторный ток экспоненциально зависит от напря­жения на эмиттерном переходе. Самая большая плотность коллектор­ного тока получается на правом краю эмиттера, где Е_П больше.

Таким образом, эффект оттеснения тока имеет место уже при работе транзистора на постоянном токе, но выражен сравнительно слабо. Фактор, приводящий к резкому увеличению плотности дока с приближением к краю эмиттера на СВЧ, — большой переменный ток базы есть следствие малого усиления по току на частотах СВЧ-диа-пазона. На низких частотах переменный ток базы в десятки и сотни раз меньше коллекторного. Поэтому рассматриваемый эффект оттеснения

Рис. 10.1. Структура транзисторов:

а — низкочастотного; б и в — многоэмиттерного; б — вид сверху; в — разрез

тока коллектора к краю эмиттера хотя и имеет место, но выражен слабо из-за малости тока базы и соответственно малости поперечного падения напряжения на базе, которое и является причиной [явления оттеснения. На частоте (где — граничная частота) амплитуда базового тока уже не меньше амплитуды коллекторного, вызванное базовым током поперечное падение напряжения на базе К. 10.1, а) сильно возрастает, а значит, усиливается и эффект оттеснения тока. При этом доля активной площади эмиттера с высокой плотностью тока с ростом частоты уменьшается, большая часть структуры почти не создает ток коллектора, а создает вредную емкость перехода. Нетрудно понять, что есть смысл «ампутировать» неработающую часть эмиттера. Тогда эмиттер станет узким, а на свободное место можно поместить еще несколько узких эмиттеров, чередуя их с такими же узкими выводами базы (рис. 10.1, в). Поэ­тому в БТ СВЧ, особенно мощных, применяют многоэмиттерные структуры, которые при взгляде сверху, с эмиттерной стороны, имеют вид двух встречных гребенок, расположенных так, что зубцы одной находятся между зубцами другой. Такие структуры при сохра­нении общей площади кристалла позволяют значительно увеличить рабочий ток и полезную мощность транзистора.

В многоэмиттерных структурах по технологическим причинам наблюдается неравномерное распределение тока между отдельными эмиттерами, что может приводить к местным перегревам и, как следствие, к повреждению. Для выравнивания токораспределения последовательно с каждым эмиттером включаются встроенные ста­билизирующие резисторы. С одиночной многоэмиттерной структуры площадью 0,03 мм² обычно снимается полезная мощность не более нескольких ватт (транзисторы типов КТ904, КТ913А).

Увеличение мощности до десятков ватт достигается в так называ­емых многоструктурных транзисторах (КТ907, КТ946). Например, транзистор КТ946 (мощность 30 Вт) содержит 16 многоэмиттерных структур, расположенных в ряд. Расстояние между соседними струк­турами выбирается таким, чтобы их тепловые потоки взаимно не перекрывались, что облегчает тепловой режим кристалла.

В связи с проблемой теплоотвода от коллектора и необходимо­стью электрической изоляции коллектора от корпуса для подачи питания почти все БТ СВЧ имеют еще одну общую конструктивную особенность — оксибериллиевый изолятор.