Главная Диоды и транзисторы



перспективным, чем метод обратной эпнтаксии (обращенного эпитаксиального наращивания) и метод встречной диффузии. Применение эпитакснальных пленок улучшает три параметра диффузионных транзисторов: повышает пробивное напряжение коллекторного перехода иквпров, уменьшает сопротивление тела коллектора Гкэ пас и емкость Ск. Кроме того, эпитаксиальные приборы имеют более слабую зависимость коэффициента усиления от тока эмиттера.

Для создания современных СВЧ-транзисторов используется технология ионного легирования илн ионной имплантации (внедрения) примесей. Этот метод позволяет получить сопротивление базы, много меньшее, чем при диффузионном методе, и сверхтонкий базовый слой (глубина залегания всех переходов менее 1мкм), что повышает рабочую частоту транзисторов.

В отличие от метода высокотемпературной диффузии, имплантация ионов может осуществляться при низких температурах, что позволяет сохранить электрофизические свойства исходного материала и повысить процент выхода годных приборов. Процесс легирования можно автоматизировать, в результате чего повышаются воспроизводимость электрических параметров приборов, точность контроля распределения примесей н разрешающая способность. Помимо р-п переходов с помощью технологии ионного легирования на поверхности можно создавать изолирующие пленки (например, нитрида кремния).

Для СВЧ-приборов на арсениде галлия для получения очень тонких структур применяется метод молекулярно-лучевой эпнтаксии.

Для получения больших мощностей на высоких частотах используются такие структуры, как гребенчатая, миогоэмиттериая, матричиаи и др. Для малосигнальиых СВЧ-транзисторов оптимальной является гребенчатая (полосковая) геометрия.

В современных мощных транзисторах имеются интегральные эмиттерные резисторы (диффузионные или тоикопленочиые) для выравнивания распределения тока между отдельными участками эмиттерного перехода и уменьшения вероятности развития пробоя.

2.16. конструкции корпусов

Корпус прибора должен защищать кристалл от механических повреждений и воздействия внешних факторов, эффективно отводить тепло, обеспечивать электрическую изоляцию токопроводящих выводов и их надежное соединение с внешними электрическими цепями, а также простое и удобное крепление в аппаратуре.

При производстве полупроводниковых приборов используются типовые (базовые) унифицированные конструкции корпуса. Конструктивное оформление приборов обусловлено максимальными мощностью рассеяния и током, частотными свойствами, особенностями технологии изготовления и условиями эксплуатации.

Для сборки кристаллов применяются цельно- и металлостеклянные, металлические с проходным изолятором, металлокерамические, керамические с компаундной (пластмассовой) герметизацией и пластмассовые корпуса различных форм и размеров. Выпускаются также бескорпусные приборы.

Металлостеклянный корпус обычно состоит из ножки (фланца) и баллона (колпачка), герметично соединяемых друг с другом электрокоитактной и холодной «варкой или пайкой. Наружные металлические детали корпуса в зависимости от типа прибора могут иметь металлическое (золочение, никелирование и др.) иле

лакокрасочное покрытие. Наличие поверхности баллона (колпачка) цилиндрической формы допускает применение радиаторов, позволяющих увеличить рассеиваемую мощность приборов.

Выводы корпусов могут иметь одно- или двухстороннее расположение и находиться с той стороны, которой прибор прижимается к теплоотводу или шасси (направляться вниз), например в корпусах ТО-З; могут располагаться со стороны, противоположной контактирующей (обычно в мощных приборах), например в корпусах ТО-60, ТО-63, КТ-4, а также могут иметь радиальное расположение (обычно у ВЧ- и СВЧ-транзисторов).

Один из выводов прибора (от базы, эмиттера или коллектора) может быть электрически связан с корпусом или все выводы могут быть электрически изолированы от него. Для улучшения теплоотвода с одновременной электрической изоля-цией кристалла от корпуса часто используется держатель из бериллиевой керамикч, напаиваемый на фланец корпуса. Окись бериллия является хорошим изолятором и в то же время обладает высокой теплопроводностью.

Отвод тепла от кристалла зависит от теплофизических свойств материала корпуса. Так как у транзисторов отвод тепла обычно осуществляется через область коллектора, связанного электрически с корпусом, а работа прибора предпочтительнее в схеме с ОЭ, то корпус прибора изолируется от шасси с помощью прокладки (из слюды, окиси бериллия и др.). Имеются конструкции, где отвод тепла осуществляется через коллектор, электрически изолированный от корпуса, например корпус ТО-60. Иногда для улучшения отвода тепла в транзисторах малой ч средней мощности внутренний объем корпуса заполняется теплоотводящим иапол-.нителем. Фланцевые корпуса обеспечивают лучший отвод тепла, чем корпуса с монтажным впитом.

В различных странах проведены стандартизация и унификация конструкций корпусов полупроводниковых приборов. Это дает возможность, в частности, стандартизировать теплоотводы (радиаторы) для приборов. Габаритные и присоединительные размеры корпусов отечественных диодов и транзисторов стандартизированы и устанавливаются ГОСТ 18472-82. По габаритно-присоединительным размерам конструкции корпусов с учетом международной стандартизации должны отвечать рекомендациям МЭК № 191-2 и стандарту СТ СЭВ 1818-79. В нашей стране имеется ряд корпусов транзисторов и диодов, соответствующих этим документам:

металлостеклянный корпус типа КТ-1 с двумя, тремя (аналогичный зарубежный корпус типа ТО-18), четырьмя (ТО-72) или пятью выводами для транзисторов с рабочей частотой до 1,5 ГГц;

металлостеклянный корпус типа КТ-2 (ТО-5, ТО-39) для транзисторов мал1Й н средней мощности (до 15 Вт);

металлокерамический корпус типа КТ-4 (ТО-60), имеющий три изолированныя вывода, крепящий болт и предназначенный для мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов;

металлокерамические корпуса типов КТ-6, КТ-7 (ТО-61, ТО-63 соответственип); для транзисторов большой мощности (до 200 Вт) с двумя (для низкочастотных транзисторов) или тремя (для высокочастотных транзисторов изолированиымя от корпуса выводами;

металлостеклянные корпуса типов КТ-8, КТ-9 (ТО-66, ТО-З соответственно) для ♦раизисторов большой мощности.

Корпуса диодов КД-2, КД-4, КД-6 соответствуют по габаритным размерам зарубежным корпусам DO-35, D0-6, SO-45.



Зарубежный корпус типа ТО-3 обычно используется для работы иа частотах до 100,..150 МГц, типа ТО-60 -до 500 МГц; для работы на более высоких частотах применяются специальные конструкции (коаксиальные корпуса, ТО-117 и др.).

На высоких частотах на электрические параметры приборов начинают влиять паразитные параметры корпуса: межэлектродиые емкости, емкости электродов относительно корпуса и индуктивности выводов. Для работы на СВЧ (более 1 ГГц) индуктивность выводов должна быть менее 1 иГн.

В отличие от низкочастотных приборов, у высокочастотных выводы делаются короткими, толстыми, широкими н далеко расположенными друг от друга. Были разработаны коаксиальный корпус и различные модификации корпуса с полосковыми выводами (для сопряжения с полосковыми линиями). Например, у коаксиального корпуса индуктивность общего вывода 0,1 нГи, у керамического полоскового корпуса типа L-5 индуктивность эмиттерного вывода 0,275 нГи.

Для ВЧ- и СВЧ-транзисторов существуют два способа монтажа кристалла в корпус: для схем с ОЭ (эмиттер электрически связан с корпусом) и с ОБ. Наилучшие результаты работы усилительных транзисторов в полосковых корпусах получены в схеме с ОБ (класс С), так как при этом получаются высокие Кур и достигается лучшая стабильность усилителя. Транзисторы, включаемые по схеме с ОЭ, являются оптимальными для генераторов, так как паразитные параметры корпуса оказываются включенными в цепь обратной связи.

Бескорпусиые приборы в виде кристаллов (пластин) с шариковыми, балочными, проволочными или ленточными выводами, на керамических держателях, в малогабаритных пластмассовых корпусах (SOT-23, SOT-89) применяются в составе гибридных интегральных микросхем. При этом осуществляется общая герметизация всей интегральной микросхемы для защиты приборов от влияния окружающей среды.

2.17. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПЛАСТМАССОЙ

Разработка полупроводниковых приборов в пластмассовом корпусе позволила снизить нх стоимость и упростить технологию герметизации по сравнению с аналогичными по электрическим параметрам приборами в металлостеклянном корпусе. Это произошло за счет автоматизации операций монтажа, герметизации, сборки и классификации приборов, а также вследствие снижения некоторых требований к приборам (например, у приборов в пластмассовом корпусе более узкий рабочий диапазон температур). Использование пластмассовых корпусов - это также экономия керамики и металлов, в том числе дорогостоящих. Ряд конструкций корпусов создан лишь благодаря специфическим свойствам полимерных материалов.

Технологически процессы изготовления этих приборов не отличаются от аналогичных процессов изготовления приборов в обычном корпусе, только вместо ножки здесь используется центральный (обычно коллекторный) вывод и вместо металлического корпуса - заливка всей структуры полимерами.

Герметизация полимерами, применяемая как для маломощных, так и для мощных приборов, осуществляется либо в виде монолитной конструкции (герметизирующий материал контактирует с кристаллом), созданной путем погружения в жидкий полимер, заливкой в формах, литьем, опрессовкой или формовкой, либо в вице капсульной конструкции, при которой контакт кристалла с герметизирующим материалом отсутствует. Герметизация может быть односторонней (для мощных при-

боров) или двусторонней (для маломощных приборов). В качестве заливочных компаундов (полимеров) используются эпоксидная, полиэфирная или фенольная смола, кремнийорганические материалы с различными наполнителями.

Стабильность параметров и надежность приборов, герметизированных полиме» рами, связаны с различными серьезными проблемами и определяются изменениями, которые происходят на поверхности кристаллов. Эти изменения обусловлены наличием примесей в полимерном материале, проникновением влаги через выводы и полимер на поверхность кристалла, внутренними напряжениями, возникающими в герметизирующем слое, адгезией пластмассы с материалом выводов, наличием электролиза контактов при проникновении влаги. Состав материала корпуса и метод герметизации оказываются наиболее важными факторами, связанными с надежностью приборов. Дефекты пластмассового корпуса могут вызвать большие токи утечки, электрохимические процессы разрушения (металлизации и выводов), термомеханические разрушения (из-за различия коэффициентов расширения пластмассы и металлических выводов). Поэтому пластмасса должна иметь высокие электроизоляционные свойства (для снижения токов утечки), минимальные усадку и старение в течение длительного срока службы, быть влагонепроницаемой, термостойкой до температуры пайки и выше. Кроме того, она должна быть светонепроницаемой и пожаробезопасной (не должна самовоспламеняться).

Пластмассовые приборы имеют высокую механическую прочность, вибро- и ударопрочность. Однако пластмассовое покрытие недостаточно герметично, имеет плохой отвод тепла. В ряде случаев при использовании пластмассовых приборов в радиоэлектронной аппаратуре требуется дополнительная магнитная и электрическая экранировка их корпуса.

За рубежом для маломощных транзисторов наиболее часто используются пластмассовые корпуса типов RO-67 или SOT-54, ТО-92 (отечественный КТ-26), ТО-98, Х-55, для мощных транзисторов- типов ТО-220 или SOT-78 (КТ-28), ТО-202 или SOT-128, ТО-126 или SOT-32 (КТ-27). Для мощных приборов в качестве основания пластмассового корпуса и теплоотвода служит металлическая пластина (например, медная), иа которую непосредственно монтируется кристалл прибора и запрессовывается пластмассой.

Следует отметить, что транзисторы в корпусах ТО-202 или SOT-128 по сравнению с аналогичными транзисторами в корпусах ТО-126 или SOT-32 имеют рассеиваемую мощность примерно на 20% больше за счет имеющегося металлического радиатора с площадью поверхности 250 мм т. е. при эксплуатации в одинаковых режимах температура переходов у них будет примерно на 20% ниже, поэтому прогнозируемый срок их службы выше.

Существуют три способа монтажа приборов в аппаратуре: иавесиой, печатный н поверхностный. Для поверхностного монтажа применяются специальные малогабаритные пластмассовые корпуса (например, отечественные КТ-46, КТ-47, анато-гичиые зарубежным SOT-23, SOT-89, а также SOT-143, SOD-80), которые позволяют более эффективно использовать поверхность платы. Технология поверхностного монтажа (SMT -Surfoce mount technology) дает возможность при автоматизированном процессе сборки повысить плотность монтажа в 3 раза и уменьшить раз» церы плат, т. е. уменьшить массогабаритные показатели аппаратуры, исключить технологический процесс изготовления отверстий на печатных платах, сократить вре-;мя монтажа по сравнению с монтажом на платах со сквозными отверстиями.



2.18. НАДЕЖНОСТЬ

Надежность полупроводниковых приборов существенно зависит от электрических и тепловых режимов работы, т. е. определяется реальными условиями их эксплуатации. Приборы работают надежно, если их рабочие токи, напряжения, мощности, температура перехода и температура окружающей среды ие превышают максимально допустимых значений.

Надежность полупроводниковых приборов закладывается еще на этапе разработки и в дальнейшем обеспечивается на всех стадиях их изготовления. В производственных условиях надежность приборов зависит от конструкции, технологии изготовления (например, надежность планарных приборов выше надежности сплавных н сплавно-диффузионных) н методов контроля качества и надежности.

В ТУ на приборы определены условия, при которых гарантируется их надежная и устойчивая работа и предусмотрен комплекс мероприятий для обеспечения высокой надежности. При заводских испытаниях проводятся испытания приборов на безотказность и долговечность, позволяющие определить производственную надежность (для оговоренных в ТУ режимов, условий испытаний и критериев отказов), как правило, в условиях и режимах более тяжелых, чем условия эксплуатации, и с оценкой результатов испытаний по более жестким критериям. Количественные показатели надежности приборов в процессе работы в аппаратуре определяются эксплуатационной надежностью. Эксплуатационная надежность (в конкретных режимах, условиях и схемах применения) обычно выше производственной, т. е. иитеисивность отказов приборов в аппаратуре меньше, чем прн заводских испытаниях.

Разница между производственной и эксплуатационной иадежностями более значительна, если приборы работают в облегченных электрических и эксплуатационных режимах по сравнению с максимально допустимыми (предусмотрены запасы по напряжению, току и мощности рассеяния) и если работа схемы (устройства) допускает большой диапазон изменения параметров используемых приборов. Не рекомендуется применять транзисторы при рабочих токах, соизмеримых с неуправляемыми обратными токами во всем диапазоне рабочих температур, а также в совмещенных предельных режимах.

Даииые об эксплуатационной надежности накапливаются при эксплуатации аппаратуры и учитываются при ее доработке или усовершенствовании.

2.19. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Полупроводниковые приборы разрабатываются и совершенствуются в соответствии с перспективами и общими тенденциями развития радиоэлектронной аппаратуры, с учетом особенностей конкретных классов схем, в которых предполагается их использование. Выпускаемые полупроводниковые приборы исчисляются Сотнями и тысячами наименований. Предназначенные для различных областей применения, они открывают возможности создания принципиально новых радиотехнических устройств, существенно расширяют и улучшают их функции и возможности.

По виду выполняемой функции (целевому назначению) транзисторы можно разделить иа усилительные, переключательные и генераторные.

Общими для расчетов усилителей на транзисторах (постоянного тока, низкой частоты, промежуточной частоты, высокой частоты и др.) являются входное и вы-

ходное сопротивления каскада, соотношения, определяющие усиление, частотные свойства, режимы работы, температурная стабильность и прочие показатели.

В соответствии с назначением различают каскады предварительного усиления (напряжения, тока или мощности), предназиачеииые для получения максимального усиления (обычно по резисториой или трансформаторной схемам), и каскады усиления мощности, обеспечивающие на заданной нагрузке необходимую (выходную) мощность при минимальных искажениях и мощности потребления от источника питания. В многокаскадных усилителях с отрицательной обратной связью имеют место фазовые сдвиги между входными и выходными токами, поэтому для их устойчивой работы транзисторы выбирают исходя из условия fB0,3fh2i3 (fa - верхняя рабочая частота усилителя); при малой обратной связи fafhjia. Возможны два варианта усилителя с мощным выходным каскадом: бестраисформаторный (с выходной мощностью не более 5... 10 Вт) и трансформаторный (на десятки и сотии ватт). При выходной мощности 0,1... 1 Вт каскады выполняются однотактными с режимом работы в классе А; при больших значениях мощности - двухтактными с режимом работы в классах А, АВ или В.

В схемах с дополнительной симметрией, т. е. с использованием транзисторов со структурами р-п-р и п-р-п, приборы должны иметь одинаковые параметры и характеристики. Требуется подбор пар последовательно включенных транзисторов по параметрам h2i3 и fh2i3 с разбросом не более 10...15%. Для этой цели разработаны специальные (комплементарные) пары транзисторов, например отечественные транзисторы со структурами п-р-п и р-п-р соответственно: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815; КТ816 и КТ817; КТ818 и КТ819.

В каскадах предварительного усиления напряжение Vkb в рабочей точке мало (несколько вольт). Оно выбирается из соображений получения малого напряжения шумов или неискаженной формы сигнала иа выходе.

В усилителях, имеющих хорошую температурную и режимную стабилизацию, [ замена транзистора иа однотипный с более высоким значением h2ia обычно не приводит к значительному увеличению тока коллектора в рабочей точке.

В транзисторных генераторах наиболее предпочтительными являются режимы : классов В и С (реже АВ). Прн расчете транзисторного генератора с внешним воз- буждением по заданным выходной мощности и верхней рабочей частоте выбирают тип транзистора и проверяют его пригодность по параметрам Рк, frp и предельно допустимыми параметрами Ukbo max, Ubeo max, Ik max для заданного угла отсечки коллекторного тока. Для расчета генераторов необходимо также знать Си, тн, fmax. Следует учитывать, что чем выше частота генерируемых колебаний, тем меньше коэффициент усиления по мощности Кур. Для получения Кур=5...7 дБ необходимо, чтобы частота Гв была в 4...10 раз ниже fh2ie.

В каскадах усиления и генерации мощности Vkb выбирается достаточно большим для получения максимального КПД н малых нелинейных искажений.

Транзисторы некоторых типов используются в специфических классах схем и характеризуются рядом особенностей режима и условий работы. Эти специализированные транзисторы образуют своеобразный класс приборов, например, транзисторы для схем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), для усилителей промежуточной частоты, для работы в микроампериом диапазоне токов, для работы в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, лавинные транзисторы, сдвоенные, составные, двухэмитгерные и т. п. Есть узлы, в которых требуются высоковольтные транзисторы. Кроме %ого, разработаны транзисторы универсального назначения. Оптимальное сочетание



0 1 2 3 4 5 [6] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66


0.0336