Параметры транзистора с945: C945 транзистор характеристики, аналоги, datasheet, параметры, цоколевка, маркировка

Микроволновые транзисторы – как они устроены

Скачать эту статью в формате . PDF Этот тип файла включает в себя графику и схемы высокого разрешения, если это применимо.

Чтобы понять характеристики транзисторов усилителя мощности и то, как параметры влияют друг на друга в сочетании с компромиссами схемы, разработчик схемы должен иметь базовое представление о конструкции устройства. Полупроводниковый кристалл, стабилизация резистора, если применимо, и упаковка устройства очень важны для микроволновых частот. Важно качественно связать конструкцию устройства с параметрами и характеристиками схемы. Таким образом, можно разумно оценить различные устройства и различия между устройствами одного семейства транзисторов.

Будет описан самый популярный в настоящее время тип конструкции транзистора — планарный эпитаксиальный диффузный переход. Этот тип в настоящее время используется всеми производителями полупроводников для обработки высокочастотных транзисторов усилителей мощности. Геометрии могут различаться, но описанные здесь концепции качественно не зависят от используемых геометрий. На параметры влияет геометрия, но отношения одинаковы для всех типов.

Базовая конструкция транзистора

Рис. 2. Планарная конструкция транзистора. Указаны основные элементы.

Планарный NPN-транзистор сконструирован, как показано на рис. 2. Рис. 3 представляет собой типичный вид сверху, показывающий встречно-штыревые (гребенчатые) соединения эмиттерной и базовой областей; который является одним из типов схемы подключения.

Рис. 3. Типичный планарный транзистор, вид сверху, демонстрирующий встречно-гребенчатую структуру. Это один из популярных шаблонов подключения.

Транзисторы для более высоких частот и более высокой выходной мощности в данной физической области чипа должны иметь повышенное отношение активной площади к физической. Для этого необходима более тонкая геометрическая структура излучателя, чтобы увеличить периферию излучателя-базы для данной физической области. Для этого требуются более мелкие излучатели, расположенные ближе друг к другу. Это, в свою очередь, требует более жестких допусков на маску, создает больше проблем с выходом и требует более тщательной обработки; таким образом создается более дорогое устройство. Определение геометрии излучателя на один микрон меньше было достигнуто в маломощных устройствах со слабым сигналом (один микрон = 10 ^-6 метра или 3,95 x 10 ^-5 дюйма). Это требование допустимости маски, однако, пока не может быть достигнуто в очень мощных транзисторах большой площади. Существующий уровень техники диктует геометрию эмиттера от 3 до 5 микрон в ширину или сторону площадки для разумных выходов.

Концепция активной зоны

Базовый привод должен подходить к переходу эмиттер-база со стороны, как показано на базовой модели конструкции. Этот базовый ток должен проходить через область под эмиттером. Чем уже ширина основания, тем выше будет боковое поверхностное сопротивление конструкции или чем выше эффективное сопротивление основания и тем больше будет падение напряжения для данного базового привода. Таким образом, напряжение эмиттер-база даже на краю перехода эмиттер-база не будет таким высоким, как напряжение эмиттер-база, приложенное к внешним выводам устройства. Кроме того, под эмиттером, вдали от области контакта база-база, доступно меньшее напряжение эмиттер-база и меньше ток включения. Это эффект «текущей отсечки».

Текущая отсечка является функцией постоянного бета (h _FE ), так как бета является функцией ширины основания. По мере увеличения нагрузки на транзистор эффект отсечки становится хуже, и активная площадь устройства (ток, несущий площадь эмиттера) увеличивается медленнее, чем при более низких уровнях тока. Как выглядит активная область, примерно показано на рис. 4. По сути, это трехмерное последовательное сопротивление с шунтирующей емкостью. По мере увеличения частоты этот встроенный фильтр нижних частот снижает нагрузку на переход база-эмиттер. Активная площадь уменьшается с увеличением частоты. Для схемотехника это означает, что полезный размер или площадь транзистора уменьшается. К сожалению, уровни импеданса меняются не так быстро, и выходная емкость изменяется лишь незначительно.

Рис. 4. Представление импеданса в модели транзистора. Эффект представляет собой фильтр нижних частот.

Рис. 5. Распределение тока транзистора для простой модели транзистора.

Как выглядит распределение тока на одной частоте для простой модели транзистора, показано на рис. 5. Из этого эскиза видно, как более высокочастотный транзистор (транзистор с большей активной к физической площади соотношение) потребует более тонкой геометрии. Например, на рис. 6а показана грубая геометрия по сравнению с рис. 6б. Для того же привода на той же частоте распределение тока будет таким, как показано. Для данной физической площади активная площадь транзистора на рис. 6b намного больше из-за более тонкой геометрии. Это делает транзистор более полезным на этой частоте. Большая активная площадь дает больший прирост мощности по причинам, которые будут обсуждаться ниже. Однако у транзистора, показанного на рис. 6b, есть проблемы, связанные с областью безопасной работы и однородностью работы, над областью которой необходимо что-то сделать, чтобы обеспечить эквивалентную безопасную работу. Это тоже будет обсуждаться.

Рис. 6. Как точная геометрия увеличивает активную площадь. At является относительно конечной геометрией. Для данной физической области b имеет более активную область из-за более тонкой геометрии.

Упаковка транзистора

Многие доступные в настоящее время транзисторы в большей степени ограничены их корпусом, чем базовыми возможностями самого чипа. Это особенно актуально для высокочастотных силовых устройств с относительно низким входным и выходным импедансом. Полное сопротивление пакета может легко быть таким же большим. Таким образом, в корпусировании транзисторов происходит революция, особенно для устройств в диапазоне СВЧ выше 400 Мгц.

Индуктивность корпуса и резистивные потери оказывают существенное влияние на характеристики схемы, в частности, на полосу пропускания, стабильность, коэффициент усиления по мощности и фазовую задержку. Полоса пропускания важна во многих схемах связи, а широкую полосу пропускания труднее достичь с помощью мощных транзисторов, чем для устройств со слабым сигналом.

Рис. 7. Эквивалентная входная схема для конфигурации с общим эмиттером, показывающая зависимость слабого сигнала между частотой, полосой пропускания, базовым сопротивлением и входным реактивным сопротивлением.

Простое представление входной цепи эквивалентного транзистора с общим эмиттером показано на рис. 7, демонстрирующем взаимосвязь для слабого сигнала между полосой пропускания, базовым сопротивлением и входным реактивным сопротивлением. Высокосигнальные r _b и C _i отличаются от малосигнальных величин, и точный количественный анализ невозможен. Однако полоса пропускания большого сигнала на входной цепи транзистора будет значительно меньше, чем предсказанная на основе измерений параметров слабого сигнала. Это в первую очередь связано с тем, что эффективное базовое сопротивление сильного сигнала, r _б , ниже.

Индуктивность корпуса эмиттера, L _e , снижает усиление мощности, как показано в следующем приблизительном уравнении.

L _e также отражает импеданс во входной цепи схемы с общим эмиттером (это наиболее широко используемая конфигурация, и здесь она рассматривается в первую очередь). Входное сопротивление, полученное с помощью анализа слабого сигнала, составляет (см. Приложение A):

, где r _e — это комбинация сопротивления эмиттера транзистора и сопротивления любого внешнего эмиттера.

Корпус с низкой индуктивностью улучшает как полосу пропускания, так и стабильность и, таким образом, облегчает согласование мощности с транзистором. Цепь с меньшей индуктивностью и меньшей добротностью означает меньшее изменение фазы по сравнению с настройкой и более широкий диапазон стабильности по отношению к внутренней обратной связи. На рис. 8 показан усовершенствованный корпус с низкой индуктивностью, включающий широколенточные выводы для коллектора и базы и эмиттер, соединенный с корпусом для обеспечения низкой и постоянной индуктивности эмиттера. Это новая концепция высокочастотного корпуса для транзисторы выше 300 Мгц. В будущем можно ожидать еще большего улучшения.

Рис. 8. Корпус малоиндуктивных транзисторов на ток 300 Мгц и выше. Для коллектора и основания используются широкие ленточные выводы, что обеспечивает лучшую стабильность в более широком диапазоне.

Параметры постоянного тока

Если известны параметры постоянного тока транзистора, он может определить, чего ожидать от ВЧ-параметров и характеристик схемы. Разработчику схемы очень полезно понимать взаимосвязь между параметрами постоянного тока и ВЧ.

Требования EIA для регистрации мощного высокочастотного транзистора под номером 2N достаточно свободны, что допускает широкий диапазон параметров. Все производители используют как можно более широкие возможности; тем не менее, чтобы поставлять хорошие продукты, параметры должны контролироваться более тщательно, чем требует стандартная регистрация EIA. Часто параметры распределения ужесточаются просто за счет выбора единиц, отвечающих требованиям конкретного приложения.

Общий эмиттер h _FE и бета

Коэффициент передачи прямого тока постоянного тока, h _FE , является наиболее важным параметром управления для процесса устройства. Множество различных ВЧ-параметров, а также характеристики схемы напрямую связаны с h _FE . Обычно его измеряют при низком напряжении и в импульсных условиях, чтобы на него не влияла рассеиваемая мощность. Как правило, h _FE увеличивается с температурой перехода.

Бета постоянного тока обычно указывается как для слаботочного, так и для сильноточного уровня. Обычно минимум и максимум указываются на слаботочных уровнях; минимальное значение, безусловно, наиболее необходимо при высоких уровнях тока. Это восходит к концепции активной области и тому факту, что при высоких уровнях тока возникает эффект отсечки тока. При высоких уровнях тока постоянное бета будет уменьшаться довольно быстро, когда плотность тока достигает высокого уровня. Следовательно, низкий h 9Устройства 0283 FE , которые имеют большую ширину базы и меньшее боковое поверхностное сопротивление в структуре базы под эмиттером транзистора, будут иметь более линейный или постоянный h _FE по сравнению с током коллектора. Устройство с высоким значением h _FE будет иметь более радикальные процентные изменения h _FE по сравнению с током коллектора. И по мере увеличения h _FE устройство будет достигать пика при более низком уровне тока.

Типичные зависимости между h _FE и током коллектора для различных уровней h _FE показаны на рис. 9 для двух разных транзисторов 400 Mc. Кривые более линейны для устройств с низким h _FE , и это должно существенно повлиять на уровень насыщения на высоких частотах и ​​линейность выходной мощности и модуляции. Многие из основных ВЧ-параметров также напрямую коррелируют с уровнем h _FE данного транзистора для данного процесса.

Рис. 9. Зависимость h _FE к I _c для двух транзисторов с разными h _FE уровней. Блок мощностью 5 Вт имеет обозначение ITT 2N3375; транзистор 15 Вт, ИТТ 3ТЕ440.

Напряжение пробоя

Напряжение пробоя постоянного или импульсного тока обычно указывается в технических паспортах:

• БВ _CEO(SUS) — Это поддерживающее напряжение между коллектором и эмиттером при заданном уровне тока, когда транзистор работает в лавинном режиме с разомкнутым выводом базы. При высоких текущих уровнях он называется LV _CEO . BV _CEO — максимальное напряжение открытой базы, которое прибор имеет в лавинной области (начальная точка). Это гарантированный уровень, до которого прибор выдержит лавинный ток коллектора без вторичного пробоя или полного провала напряжения прибора. Он всегда измеряется в импульсном режиме. Иногда определенное количество энергии подается путем возбуждения транзистора от индуктивности, которая имеет заранее определенное количество накопленной энергии.
• BV _{CER(SUS )} — Это напряжение пробоя от коллектора к эмиттеру с резистором, подключенным от базы к эмиттеру. Измерение выполнено как для BV _CEO(SUS) . Более распространенное обозначение — LV _CER или LV _CES , когда R _BE = 0,
.
• BV _CBO — Это напряжение пробоя от коллектора к базе и, следовательно, лавинное напряжение перехода коллектор-база. Это важный параметр, поскольку как ВЧ-параметры, так и параметры работы схемы коррелируют с этим напряжением пробоя. Для данного процесса возможен довольно широкий диапазон напряжения пробоя коллектор-база в зависимости от изменения удельного сопротивления используемого кремниевого материала.

          Типичные кривые напряжения пробоя для тонкого экситаксиального транзистора с низким сопротивлением и для транзистора с высоким сопротивлением и толстой эпитаксией показаны на рис. 10. Обратите внимание, что для различных конструкций транзисторов получаются существенно разные формы кривых. Возможности КСВ транзистора зависят от поддерживающей области и этих напряжений пробоя.

Рис. 10. Характеристики напряжения пробоя — типичные транзисторы. Кривые слева относятся к тонкому эпитаксиальному слою с низким удельным сопротивлением; справа — относительно толстое эпитаксиальное устройство с высоким сопротивлением.

• BV _EBO — Напряжение пробоя эмиттер-база также указывается при заданном уровне тока в области лавинного пробоя. Это имеет второстепенное значение для схемотехника, когда транзистор должен работать на очень высоких частотах, потому что накопленный заряд, а не внешнее поле, управляет полем в переходе эмиттер-база в течение большей части цикла. Однако на низких частотах этот параметр важен и его следует учитывать.

Выходная емкость с общей базой (C _ob )

C _ob — важный параметр, поскольку он влияет на настройку схемы и уровень выходного импеданса транзистора. Это также относится к некоторым другим параметрам постоянного тока. В схеме с общим эмиттером C _ob также является выходной емкостью. Это связано с тем, что уровни импеданса на базе довольно низкие по сравнению с уровнем импеданса на выходе транзистора. Тем не менее, обязательно следует учитывать высокочастотное значение, а также значение сильного сигнала (которое может в два раза превышать значение слабого сигнала).

Выходная емкость транзистора фактически представляет собой емкость его перехода, соединенную последовательно с сопротивлением. Если удельное сопротивление коллектора увеличивается, эффективная выходная емкость уменьшается, если смотреть со стороны внешних клемм. Кроме того, если удельное сопротивление увеличивается, напряжение пробоя коллектор-база, BV _CBO , также увеличивается. Изменение толщины перехода и эпитаксиальной толщины также вызовет некоторое изменение выходной емкости. Типичный дистрибутив C _OB в зависимости от напряжения пробоя коллектор-база показана на рис. 11. C _OB также зависит от напряжения коллектора, что является важным фактором при работе с большим сигналом. Типовой вариант транзистора 400-Mc показан на рис. 12.

Рис. 11. Типовой C _ob -BV _CBO распределения. Это было получено на транзисторе типа ИТТ 3ТЭ440 при f ≈ 1 Мгц и V _СВ = 28 В.

Рис. 12. Типичная кривая C _ob -V _cb для транзистора 400-Mc типа ITT 3TE440. Это изменение важно при работе с большим сигналом.

Когда транзисторы работают в микроволновом диапазоне (выше 300 мкс), низкая выходная емкость важна для хорошего коэффициента усиления и высокого импеданса схемы. Основываясь на рассмотренной ранее концепции «активной области», необходимо построить более точную геометрию или изменить удельное сопротивление материала, чтобы эффективно уменьшить отношение выходной емкости к допустимой мощности. Однако изменение удельного сопротивления материала несколько снижает выходную мощность.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (В _CE(SAT) )

В _CE(SAT) — важный параметр, который всегда указывается при постоянном токе, и который очень неправильно используется для силового высокочастотного транзистора. и несколько неправильно понял. Напряжение насыщения указывается при заданных токах коллектора и базы, то есть при форсированном h _FE (обычно при самом низком гарантированном h _FE , которое обычно составляет около 8 или 10).

В _CE(SAT) соответствует напряжению пробоя коллектор-база; т. е. удельное сопротивление эпитаксиального материала коллектора в транзисторе. Таким образом, устройство с более высоким напряжением пробоя имеет более высокий уровень напряжения насыщения на постоянном токе, а также на ВЧ. В высокочастотных силовых цепях с большим сигналом транзистор управляется от насыщения коллектора до отсечки. Таким образом, уровень насыщения определяет степень колебания напряжения. Соотношение между насыщением по постоянному току и насыщением по ВЧ частично контролируется геометрией устройства, поскольку оно влияет на одну и ту же площадь.

Термическое сопротивление (R _T )

R _T является важным параметром, который, наряду с максимальной номинальной рассеиваемой мощностью, создает фактические пределы уровня рассеяния силовых устройств. Это очень неправильно понятая оценка, требующая значительного понимания высокочастотной геометрии и безопасных рабочих зон.