Глава 1. ТРАНЗИСТОРЫ УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При создании мощных каскадов усиления радиопередающих устройств во всем мире активно применяются транзисторы. Ламповая техника оказалась экономически оправдана только при выходных мощностях передатчиков, превышающих 1 - 3 кВт в непрерывном режиме генерации. Конечно, на мощных телевизионных и радиоцентрах, в системах радиолокации и дальней навигации без электронной техники еще не обойтись, но преобладающее число передающих устройств реализуют на транзисторах.
В разных странах и даже у различных фирм-производителей свои системы маркировки полупроводников. В нашей стране принято (ОСТ 11 336.919-81) маркировать транзисторы следующим образом. Например, 2Т964А.
Первый элемент обозначения определяет материал полупроводника: К или 2 - кремний; Г или 1 - германий; А или 3 – соединения галлия; И или 4 - соединения индия. Если в марке транзистора указана первой цифра, а не буква, то такое обозначение соответствует полупроводниковому прибору, имеющему улучшенные характеристики, например, по допустимой температуре коллекторного перехода.
Вторая буква в обозначении определяет тип прибора: T - транзистор, Д - диод, В - варикап, С - стабилитрон, П - полевой транзистор.
Следующие за второй буквой цифры говорят о подклассе полупроводника и номере его разработки. Первая из цифр в соответствии с принятой в стране триадной схемой маркировки транзисторов означает принадлежность к подклассу по мощности и по рабочему диапазону частот. Вторая и третья (а у новых разработок полупроводников и четвертая) цифры определяют номер разработки и характеризуют отличительные параметры прибора. Следующие за цифрами буквы определяют модификацию полупроводника и его отличие от одинаковых по номеру разработки. Например, транзисторы 2Т922А, 2Т922Б, 2Т922В - это кремниевые мощные высокочастотные транзисторы, имеют допустимую температуру корпуса 125 0С (У КТ922А-В допустимая температура корпуса только 85 0С) и различаются друг от друга максимальной выходной мощностью - 5, 20 и 40 Вт соответственно.
Стандарт предусматривает введение в маркировку дополнительных знаков, чаще всего цифр от 1 до 9, характеризующих конструктивную модификацию. Дополнительные цифры, приводимые в маркировке через дефис, характеризуют модификацию выводов бескорпусных транзисторов.
Триадная схема поясняется в табл. 1.1 на примере кремниевых транзисторов КТ 101 - КТ 999. То есть, элементы одного частотного диапазона разделяются по мощности через триаду: 100-400-700; 200-500-800; 300-600-900. При этом маломощные транзисторы имеют максимальную рассеиваемую мощность не выше 0,3 Вт. Транзисторы средней мощности имеют рассеиваемую мощность более 0,3 Вт, но не выше 1,5 Вт. Транзисторы большой мощности рассеивают мощность более 1,5 Вт. Низкочастотные транзисторы имеют граничную частоту ниже 3 МГц; среднечастотные - выше 3, но ниже 30 МГц; высокочастотные выше 30 МГц.

Таблица 1.1

Транзисторы | Маломощные | Средней мощности | Мощные
Низкочастотные | КТ101 - КТ199 | КТ401 - КТ499 | КТ701 - КТ799
Среднечастотные | КТ201 - КТ299 | КТ501 - КТ599 | КТ801 - КТ899
Высокочастотные | КТ301 - КТ399 | КТ601 - КТ699 | КТ901 - КТ999

Для радиопередающих устройств особое значение имеют высокочастотные и сверхвысокочастотные транзисторы средней и большой мощности. Осваиваются все более высокочастотные участки спектра, например, миллиметровые волны (30 - 300 ГГц), и это требует новых разработок транзисторов с большими возможностями по частоте. Создание мощных транзисторных усилителей высокой и сверхвысокой частоты для трактов усиления радиопередающих устройств явилось исключительно сложной задачей. При ее решении потребовалось преодолеть целый ряд препятствий, к основным из которых можно отнести следующие:

- уменьшение коэффициента усиления транзисторов по мощности с ростом рабочей частоты;
- наличие эффекта оттеснения носителей заряда, ограничивающего эмиттерный ток, а значит, и выходную мощность транзистора;
- проблемы охлаждения кристалла мощного полупроводника;
- необходимость получения в нагрузке мощности, многократно превышающей возможности одного транзистора;
- требование эффективной передачи ВЧ энергии от транзистора в нагрузку в широком диапазоне частот;
- необходимость надежной защиты транзисторов от перегрузок при флуктуациях нагрузки.

Первые три задачи относятся непосредственно к активным элементам, поэтому рассмотрим как удалось решить эти проблемы и в какой степени они оказались разрешенными для мощных транзисторов.

##

1.2. ОГРАНИЧЕНИЕ УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ С РОСТОМ ЧАСТОТЫ

Максимальной частотой транзистора f макс обычно [1.1] называют значение частоты, при котором коэффициент усиления транзистора по мощности Kp = 3 дБ или 2 раза. Эта частота близка к граничной частоте транзистора, определяемой как

,
где - модуль коэффициента передачи по току в схеме с общим эмиттером;
f - частота, на которой измеряется величина ;
Vз - скорость пролета носителей через базу (ограничена величиной 107 см / c);
- время пролета неосновных носителей заряда через базу;
Wб - толщина базовой области.
Из выражения следует, что для увеличения частотных возможностей транзистора требуется уменьшать толщину базовой области. Однако есть и ограничение, связанное с критическим значением напряженности электрического поля (Екр = 2*105 В/см для кремния), при котором наступает пробой. Поэтому величина произведения максимально допустимого напряжения коллектор-база имеет предел, который для кремниевых транзисторов
.
Отсюда видно, что повышение граничной частоты fТ за счет уменьшения толщины базы приводит к снижению напряжения Uкб , что вызывает уменьшение выходной мощности транзистора. Для сравнения приведем следующий пример: у транзистора с частотой fТ = 400 МГц и мощностью до 100 Вт толщина базы W б = 0,7 мкм, а у транзистора с частотой до 2 ГГц величина Wб = 0,3 мкм и выходная мощность меньше в несколько раз.
К настоящему времени предельные значения частоты мощных биполярных транзисторов приблизились [1.1 - 1.4] к 20 ГГц, что позволило использовать транзисторы в радиотехнике сантиметрового диапазона. Для более высоких частот созданы полевые транзисторы, которые стали активно применять вплоть до миллиметрового диапазона длин волн, как показано в табл. 1.2.

Таблица 1.2.

Тип прибора | Частота, ГГц | Выходная мощность, Вт
3П608Г-2 | 26 | 0,2
3П608А-5 | 26 | 0,1
3П608Д-5 | 37 | 0,03
3П608Е-5 | 45.5 | 0,01

Мощность отечественных транзисторов миллиметрового диапазона волн составляет десятые и сотые доли ватт. Однако, с учетом прямой видимости радиолиний этого диапазона, они активно используются в выходных каскадах систем передачи информации. Например, в табл. 1.2 приведены некоторые данные полевого транзистора 3П608, применяемого в этих целях.

##

1.3. ЭФФЕКТ ОТТЕСНЕНИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ

Этот эффект связан с тем, что при высоких уровнях инжекции ток неосновных носителей зарядов оттесняется к внешним краям эмиттера. При больших мощностях плотность тока эмиттера достигает [1.2] 3000 А/см2. Так как существует предельное значение плотности тока, при превышении которого может произойти разрушение эмиттера, следует для повышения мощности транзистора удлинять периметр эмиттера, что приводит к увеличению площади электродов и к росту емкостей переходов, что снижает частотные свойства транзистора.
Эффект оттеснения удалось преодолеть благодаря идее Н. Флетчера, предложившего выполнять эмиттер в виде большого числа ячеек квадратиков или полосок, соединенных между собой параллельно и образовывающих многоэмиттерную структуру, позволившую значительно увеличить отношение периметра эмиттера к площади коллектора. Создание полупроводников с высоким отношением периметра эмиттера к площади коллектора и тонкой базой позволило значительно увеличить колебательную мощность биполярных транзисторов и повысить граничную частоту.
По методам конструктивной реализации объединения эмиттеров различают три вида [1.1] многоэмиттерных структур: решетчатую, сетчатую, полосковую, объединяющих сотни площадок эмиттеров в один электрод. Так, один из первых мощных транзисторов частотой до 400 МГц и мощностью 3 Вт имел [1.1] следующие параметры: размер ячейки элементарного эмиттера 13х13 мкм; число ячеек 156; общий периметр эмиттера 7,5 мм; площадь коллектора 0,25 мм2. Многоэмиттерный транзистор по сути представляет собой параллельное соединение большого числа маломощных транзисторов с компенсацией различий в коэффициентах усиления за счет дополнительных резисторов в цепях эмиттеров.
У многоэмиттерных транзисторов границы переходов лежат в одной плоскости поперечного сечения и такие структуры называют планарными. При создании конструкции транзистора с многоэмиттерной структурой стремятся увеличить коэффициент усиления по мощности за счет уменьшения сопротивления базы r'б, внедряя в ее тело сильнолегированные участки с низким удельным сопротивлением. Также стремятся уменьшить потери за счет реактивностей выводов транзистора. Полосковые выводы имеют индуктивность около 0,3 нГн, а штыревые порядка 3 нГн, поэтому для уменьшения индуктивностей выводов высокочастотных транзисторов их, как правило, делают полосковыми.

##

1.4. ОХЛАЖДЕНИЕ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Особенность применения мощных биполярных транзисторов состоит в том, что они эксплуатируются в режимах, близким к предельным по температуре перехода. Область максимальных режимов транзисторов, ограничена максимально допустимым током коллектора, максимально допустимой мощностью рассеивания, вторичным пробоем, граничным напряжением вольт-амперной характеристики при заданных входных условиях и максимально допустимым обратным напряжением коллектор-эмиттер в справочниках приводится при температуре корпуса Tк1, при которой обеспечивается максимальная мощность рассеивания.
В целях максимального увеличения коэффициента полезного действия мощные транзисторы используют обычно в режимах работы с отсечкой, поэтому допустимые режимы, приводимые в справочниках как статические (при работе на постоянном токе), существенно отличаются при динамической работе.
При увеличении температуры площадь области максимальных режимов, как показано на рис. 1.1, уменьшается, а мощность рассеивания рассчитывается по формуле [1.5]:

,

где Tп - температура перехода;
Tк - температура корпуса транзистора;
R п,к - тепловое сопротивление переход - корпус.

Рис. 1.1. Области максимальных режимов при различных температурах корпуса транзистора (T1 < T2)

Тепло, рассеиваемое в кристалле, необходимо отвести. При этом нужно обеспечить электрическую изоляцию электродов. Обычно используют бериллиевую керамику, имеющую теплопроводность, близкую к теплопроводности латуни. Крепление транзисторов к радиаторам охлаждения должно обеспечивать надежный тепловой контакт, что реализуют как винтовыми креплениями транзисторов к радиаторам, так и шлифовкой поверхности крепления и применением теплопроводящих смазок КПТ-8 (ГОСТ 19783-74) и полиметилсилоксановой жидкости ПМС-100 (ГОСТ 13032-77). Допускается и применение уплотняющей фольги из мягких металлов с высокой теплопроводностью. При монтаже схем допускается пайка выводов припоем с температурой ниже 260 0С при времени пайки менее 3с.
На низких частотах иногда применяют крепление транзисторов к радиаторам через диэлектрические прокладки (обычно через слюду или оксидированный алюминий), но при этом суммарное тепловое сопротивление переход - радиатор увеличивается на 0,5 0С/Вт на каждые 50 мкм толщины слюдяной прокладки и на 0,25 0С/Вт для 50 мкм оксидированного алюминия.

##

1.5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ТРАНЗИСТОРОВ

При выборе транзисторов для целей усиления мощности высокой частоты следует исходить из нескольких основных параметров, а именно: требуемой выходной мощности, диапазона усиливаемых частот, возможного типа корпуса транзистора и применяемого источника питания. Предварительный выбор транзисторов удобно производить именно по этим параметрам, затем наращивая требования и учитывая в этих целях возможный коэффициент усиления по мощности, коэффициент полезного действия, линейность усиления в заданном диапазоне частот и др.
Отечественная справочная литература построена по разделам, группирующим транзисторы по мощности и частоте [1.1-1.4]. Это позволяет ограничить границы поиска конкретным подклассом и облегчает выбор инженерных решений. При этом следует помнить, что для обеспечения долговременной надежной работы транзисторов желательно несколько (примерно до 30%) недоиспользовать их по максимальной выходной мощности, осуществляя тем самым производственный запас на непредвиденные флуктуации рабочей температуры, питающих напряжений или сопротивления нагрузки. Такой запас мало скажется на стоимости изделия, так как цена транзисторов в значительной степени определяется используемой технологией изготовления, а не энергетическими характеристиками самого транзистора.
Следует уделить внимание и вопросу крепления транзисторов на радиаторе. Исследование статистики отказов транзисторной техники показывают, что применение диэлектрических прокладок при креплении транзисторов не только увеличивает вероятность отказов из-за возможных повреждений прокладок, но и способствует возникновению самовозбуждения в транзисторных каскадах усиления мощности. На основании этого большинство производителей мощного радиотехнического оборудования отказались от неудачных схемотехнических решений с применением изолированных от радиатора транзисторов.
Применение радиаторов естественного воздушного охлаждения требует выполнения расчетов тепломассообмена, однако для большинства практических приложений можно рекомендовать выбирать площадь поверхности воздушного радиатора с естественным охлаждением из условия рассеивания тепловой мощности в 1 Вт площадью поверхности радиатора не менее 10 см2.
На частотах ниже 3-5 ГГц при выборе транзисторов следует отдавать предпочтение биполярным транзисторам. Они имеют большой коэффициент усиления по мощности и из-за инерционности движения носителей зарядов допускают использование устройств защиты мощных транзисторов от возможных перегрузок.

##

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Почему транзисторная элементная база потеснила ламповую?
- Какова система обозначения полупроводниковых элементов в России?
- Что такое граничная и максимальная частоты биполярных транзисторов и в чем проблема их увеличения?
- Чем достигается преодоление эффекта оттеснения носителей зарядов в эмиттере?
- Что такое область максимальных режимов транзистора?
- Какими мерами осуществляют улучшение съема тепловой мощности рассеивания у транзисторной техники?
- Почему на высоких частотах применяют планарные выводы у транзисторов?
- Что ограничивает применение полевых транзисторов в мощных усилителях, работающих на нестабильную нагрузку?

##

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справ./ Под ред. А.В. Голомедова. – М.: Радио и связь, 1985. – 560 с.
1.2 Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справ. - 2-е изд. - М.: Радио и связь, 1994. – 640 с.
1.3 Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справ. - M.: Рикел, Радио и связь, 1994. – 232 с.
1.4 Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Дополнение второе: Справ. - M.: Рикел, Радио и связь, 1995. – 288 с.
1.5 Мощные высокочастотные транзисторы / Под ред. Е.З. Мазеля. - М.: Радио и связь, 1985. - 176с.