Tranzystor lawinowy

Tranzystor lawinowy jest bipolarnym tranzystorem złączowym przeznaczonym do pracy w obszarze charakterystyk prądu kolektora/napięcia kolektor-emiter poza napięciem przebicia kolektor-emiter , zwanym obszarem przebicia lawinowego . Region ten charakteryzuje się załamaniem lawinowym, które jest zjawiskiem podobnym do wyładowania Townsenda dla gazów, oraz ujemnym oporem różniczkowym . Działanie w obszarze przebicia lawinowego nazywa się działaniem w trybie lawinowym : daje tranzystorom lawinowym możliwość przełączania bardzo wysokich prądów z czasem narastania i opadania krótszym niż nanosekunda ( czasy przejścia ). Tranzystory, które nie zostały specjalnie zaprojektowane do tego celu, mogą mieć dość spójne właściwości lawinowe; na przykład 82% próbek szybkiego przełącznika 15 V 2N2369, wyprodukowanych w ciągu 12 lat, było w stanie generować impulsy przebicia lawinowego o czasie narastania 350 ps lub mniej, przy użyciu zasilacza 90 V, jak pisze Jim Williams .

Historia

Pierwszym artykułem dotyczącym tranzystorów lawinowych był Ebers i Miller (1955) . Artykuł opisuje, w jaki sposób wykorzystać tranzystory ze złączami stopowymi w obszarze przebicia lawinowego w celu przezwyciężenia ograniczeń prędkości i napięcia przebicia , które dotyczyły pierwszych modeli tego rodzaju tranzystorów stosowanych we wcześniejszych komputerowych układach cyfrowych . Dlatego pierwsze zastosowania tranzystorów lawinowych dotyczyły obwodów przełączających i multiwibratorów . Wprowadzenie tranzystora lawinowego posłużyło również jako zastosowanie empirycznego wzoru Millera na współczynnik mnożenia lawinowego $,$ po raz pierwszy w artykule Millera (1955) . Potrzeba lepszego zrozumienia zachowania tranzystora w obszarze przebicia lawinowego, nie tylko do zastosowania w trybie lawinowym, dała początek szeroko zakrojonym badaniom nad jonizacją uderzeniową w półprzewodnikach (patrz Kennedy i O'Brien (1966) ).

Od początku lat sześćdziesiątych do pierwszej połowy lat siedemdziesiątych zaproponowano kilka układów tranzystorów lawinowych. Zbadano rodzaj bipolarnego tranzystora złączowego najlepiej nadającego się do zastosowania w regionie załamania lawinowego. Pełną bibliografią, która obejmuje również wkład naukowców z krajów byłego ZSRR i RWPG , jest książka Дьяконов (Dyakonova) (1973) .

Pierwsze zastosowanie tranzystora lawinowego jako wzmacniacza liniowego , nazwanego Controlled Avalanche Transit Time Triode (CATT), zostało opisane w ( Eshbach, Se Puan & Tantraporn 1976 ). Podobne urządzenie o nazwie IMPISTOR zostało opisane mniej więcej w tym samym okresie w artykule Carrol & Winstanley (1974) . Liniowe zastosowania tej klasy urządzeń rozpoczęto później, ponieważ istnieją pewne wymagania do spełnienia, które opisano poniżej. Zastosowanie tranzystorów lawinowych w tych zastosowaniach nie jest powszechne, ponieważ urządzenia do prawidłowego działania wymagają wysokich napięć kolektor-emiter.

Obecnie nadal trwają badania nad urządzeniami lawinowymi ( tranzystorami lub innymi) wykonanymi z półprzewodników złożonych , zdolnymi do przełączania prądów o natężeniu kilkudziesięciu amperów nawet szybciej niż „tradycyjne” tranzystory lawinowe.

Podstawowa teoria

Charakterystyka statycznego regionu lawinowego

Prądy i napięcia polaryzacji dla tranzystora bipolarnego NPN

W tej $obliczana$ . Dla uproszczenia rozważane jest tylko urządzenie NPN: jednak te same wyniki dotyczą urządzeń PNP, tylko odpowiednio zmieniając znaki napięć i prądów. Analiza jest ściśle zgodna z analizą Williama D. Roehra w ( Roehr 1963 ). Ponieważ zwielokrotnienie przebicia lawinowego występuje tylko na złączu kolektor-baza, pierwszym krokiem obliczeń jest wyznaczenie prądu kolektora jako sumy różnych prądów składowych płynących przez kolektor, ponieważ tylko te strumienie ładunków podlegają temu zjawisku. Obecne prawo Kirchhoffa zastosowane do bipolarnego tranzystora złączowego $do {\ displaystyle I_ {C}}$ następującą zależność, zawsze spełnianą przez prąd kolektora:

$I_ {E} -I_ {B} \,}$

podczas gdy dla tego samego urządzenia pracującego w obszarze aktywnym podstawowa teoria tranzystorów podaje następującą zależność

${\ Displaystyle I_ {C} = \ beta I_ {B} + (\ beta + 1) ja_ {CBO} \,$

Gdzie

• ${\ displaystyle I_ {B}}$ to prąd bazowy,
• ${\ displaystyle I_ {CBO}}$ jest odwrotnym prądem upływu podstawy kolektora,
• ${\ displaystyle I_ {E}}$ to prąd emitera,
• jest wzmocnieniem prądowym tranzystora ze wspólnym $.$

$następujący$ dwóch wzorów na wynik

${\ Displaystyle I_ {E} = (\ beta +1) I_ {B} + (\ beta + 1) I_ {CBO} \ ,}$

a ponieważ jest wspólnym wzmocnieniem prądu bazy tranzystora, to ${\ Displaystyle \ alfa = \ beta {(\ beta + 1) ^ {- 1}}}$

${\ Displaystyle \ alfa I_ {E} = \ beta I_ {$

$}}$ kolektora jest określony przez ja do {\ displaystyle I_ {

$CBO}) \,}$

gdzie jest współczynnikiem mnożenia lawiny $Millera$ Jest to najważniejszy parametr w działaniu trybu lawinowego: jego wyraz jest następujący

${\ Displaystyle M = {\ Frac {1} {1- \ lewo ({\ Frac {V_ {CB}} {BV_ {CBO}}} \ dobrze)^{n}}}\,}$

Gdzie

• ${\ displaystyle BV_ {CBO}}$ to napięcie przebicia podstawy kolektora,
• ${\ displaystyle n}$ jest stałą zależną od półprzewodnika użytego do budowy tranzystora i profilu domieszkowania złącza kolektor-baza,
• ${\ Displaystyle V_ {CB}}$ to napięcie podstawy kolektora.

Używając ponownie aktualnego prawa Kirchhoffa dla $do { \ displaystyle$ tranzystora złączowego i podanego wyrażenia dla , wynikowe wyrażenie dla jest następujące: ${C}}$

$\ Displaystyle I_ { C}={\frac {M}{1-\alpha M}}(I_{CBO}+\alpha I_{B})\iff I_{C}={\frac {I_{CBO}+\alpha I_{ B}}{1-\alpha -\left({\frac {V_{CB}}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}}}}$

i pamiętając, że ${\ Displaystyle V_ {CB} = V_ {CE} -V_ {BE}}$ i ${\ Displaystyle V_ {BE} } = V_ {BE} (I_ {B})}$ gdzie ${\ Displaystyle V_ {BE}}$ to napięcie baza-emiter

$\ Displaystyle I_ {C} = {\ Frac {I_ {CBO} + \ alfa I_ {B}} {1- \ alfa - \ lewo ({\ Frac {V_ {CE} - V_{BE}(I_{B})}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}}}\cong {\frac {I_{CBO}+\alpha I_{B}}{1- \alpha -\left({\frac {V_{CE}}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}}}}$

ponieważ ${\ Displaystyle V_ {CE}>> V_ {BE}}$ : jest to wyrażenie parametrycznej rodziny charakterystyk kolektora ${\ displaystyle I_ {C} - V_ {CE}}$ z parametrem ${\ displaystyle I_ {B}}$ . Zauważ, że $wzrasta bez$ jeśli

$\ Displaystyle \left({\frac {V_{CE}}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}=1-\alpha \iff V_{CE}=BV_{CEO}={\sqrt[{ n}] {(1-\alpha )}}BV_{CBO}={\frac {BV_{CBO}}{\sqrt[{n}]{\beta +1}}}}$

gdzie $kolektor$ przebicia Możliwe jest również wyrażenie $funkcji$$:$ wzoru analitycznego na rezystancję różnicową kolektor - zróżnicowanie jednak , szczegóły nie są tutaj podane.

Różniczkowy model dynamiczny

Równoważny obwód lawinowego tranzystora bipolarnego npn obsługiwanego przez powszechnie stosowaną sieć polaryzacji.

Opisany tutaj różnicowy tryb dynamiczny, zwany także modelem małego sygnału , jest jedynym wewnętrznym modelem małego sygnału tranzystora lawinowego. Elementy przypadkowe ze względu na obudowę zawierającą tranzystor celowo pominięto, gdyż ich analiza nie wniosłaby nic użytecznego z punktu widzenia zasady działania tranzystora lawinowego. Jednak przy realizacji układu elektronicznego parametry te mają ogromne znaczenie. W szczególności należy zminimalizować indukcyjności błądzące połączone szeregowo z przewodami kolektora i emitera, aby zachować wysoką prędkość działania obwodów tranzystorów lawinowych. Ten równoważny obwód jest również przydatny przy opisywaniu zachowania tranzystora lawinowego w pobliżu jego czasu włączenia, gdzie prądy i napięcia kolektora są nadal bliskie wartościom spoczynkowym : w rzeczywistym obwodzie pozwala on na obliczenie stałych czasowych , a zatem czasów narastania i opadania kształtu ${\ displaystyle V_ {CE}}$ do . Ponieważ jednak obwody przełączające tranzystorów lawinowych są z natury dużymi obwodami sygnałowymi, jedynym sposobem przewidzenia z rozsądną dokładnością ich rzeczywistego zachowania jest wykonanie symulacji numerycznych . Ponownie, analiza jest ściśle zgodna z analizą Williama D. Roehra w ( Roehr 1963 ).

Tranzystor lawinowy obsługiwany przez $być$$sieć$ polaryzacji na sąsiednim rysunku: może mieć wartość zerową lub dodatnią, może zwarty W każdym obwodzie tranzystora lawinowego sygnał wyjściowy jest pobierany z kolektora lub emitera: dlatego małosygnałowy model różnicowy tranzystora lawinowego pracującego w obszarze lawinowym jest zawsze widziany z pinów wyjściowych kolektor-emiter i składa się z równoległego $pokazano$ na sąsiednim rysunku, który zawiera tylko elementy polaryzacji Wielkość i znak obu tych parametrów są kontrolowane przez prąd podstawowy $zarówno$ złącza baza-kolektor, jak i baza-emiter są spolaryzowane odwrotnie w stanie spoczynku, równoważny obwód wejścia podstawowego jest po prostu generatorem prądu bocznikowanym przez pojemności złącza baza-emiter i baza-kolektor i dlatego nie jest analizowany w dalszej części. Wewnętrzna stała czasowa podstawowego równoważnego obwodu małego sygnału ma następującą wartość

$\ Displaystyle \ tau _ {As} = r_ {As} C_ {As} \,$

Gdzie

• $\ Displaystyle r_ {Ace}}$ jest różnicową rezystancją lawinową kolektor-emiter i, jak stwierdzono powyżej, można ją uzyskać przez zróżnicowanie napięcia kolektor-emiter w odniesieniu do ${\ Displaystyle V_ {CE}}$ prąd kolektora $\ displaystyle I_ {C}}$ dla stałego prądu bazowego ${\ displaystyle I_ {B}}$

${\ Displaystyle r_ {Ace} = {\ Frac {\ częściowe {V_ {CE}}} {\ częściowe {I_ {C}}}} {\ Bigg |} _ {I_ {B} = stała}$

• $\ Displaystyle C_ {Ace}} jest różnicową pojemnością lawinową kolektor-$ i ma następujące wyrażenie

$\ Displaystyle C_ {Ace} = -\ lewo ({\ Frac {1} {r_ {Ace} \ omega _ {\ beta}}} -C_ {ob} \ prawo)} gdzie ω$

β

$Displaystyle \ omega _ {\ beta } = 2 \ pi f_ {\ beta}}$ to kątowa częstotliwość odcięcia wzmocnienia

${\ Displaystyle C_ {ob}}$ to wspólna podstawowa pojemność wyjściowa

Oba parametry są ujemne. Oznacza to, że jeśli obciążenie kolektora jest stałe dla idealnego źródła prądu , obwód jest niestabilny. Jest to teoretyczne uzasadnienie astabilnego $napięcie$ multiwibratora obwodu, gdy wzrasta powyżej pewnego poziomu

Drugi tryb lawinowy awarii

powyżej limitu arkusza danych, $staje$ mechanizm awarii: awaria Zjawisko to jest spowodowane nadmiernym nagrzewaniem się niektórych punktów ( gorących punktów ) w obszarze baza-emiter bipolarnego tranzystora złączowego , co powoduje wzrost wykładniczo rosnącego prądu przez te punkty: ten wykładniczy wzrost prądu z kolei powoduje powstanie jeszcze większej przegrzanie, wywołując dodatni mechanizm termicznego sprzężenia zwrotnego . Analizując $,$ obecność tego zjawiska jest postrzegana jako gwałtowny spadek napięcia kolektora odpowiadający prawie pionowy wzrost prądu Obecnie nie jest możliwe wyprodukowanie tranzystora bez gorących punktów, a tym samym bez drugiego przebicia, ponieważ ich obecność jest związana z technologią uszlachetniania krzemu . Podczas tego procesu w zlokalizowanych częściach płytki pozostają bardzo małe, ale skończone ilości metali : te cząstki metali stały się głębokimi centrami rekombinacji , tj. centrami, w których przepływa prąd w preferowany sposób. Chociaż zjawisko to jest destrukcyjne dla bipolarnych tranzystorów złączowych pracujących w zwykły sposób, można je wykorzystać do dalszego podniesienia limitów prądu i napięcia urządzenia pracującego w trybie lawinowym poprzez ograniczenie czasu jego trwania: również prędkości przełączania urządzenia nie wpływa negatywnie. Dokładny opis obwodów tranzystorów lawinowych pracujących w drugim reżimie przebicia wraz z kilkoma przykładami można znaleźć w pracy Baker (1991) .

Symulacje numeryczne

Obwody tranzystorów lawinowych są z natury dużymi obwodami sygnałowymi, więc modele małych sygnałów zastosowane do takich obwodów mogą dać jedynie opis jakościowy. Aby uzyskać dokładniejsze informacje o zachowaniu się napięć i prądów zależnych od czasu w takich obwodach konieczne jest zastosowanie analizy numerycznej . „Klasyczne” podejście, szczegółowo opisane w artykule Дьяконов (Dyakonov) (2004b) , które opiera się na książce Дьяконов (Dyakonov) (1973) , polega na traktowaniu obwodów jako układu nieliniowych równań różniczkowych zwyczajnych i rozwiązywaniu go metodą numeryczną realizowane przez oprogramowanie do symulacji numerycznej ogólnego przeznaczenia : wyniki uzyskane w ten sposób są dość dokładne i łatwe do uzyskania. Jednak metody te polegają na wykorzystaniu analitycznych modeli tranzystorów najlepiej nadających się do analizy obszaru przebicia: modele te niekoniecznie nadają się do opisania urządzenia pracującego we wszystkich możliwych obszarach. Bardziej nowoczesnym podejściem jest użycie wspólnego symulatora obwodu analogowego SPICE wraz z zaawansowanym modelem tranzystora obsługującym symulacje przebicia lawinowego, czego nie oferuje podstawowy model tranzystorowy SPICE . Przykłady takich modeli opisano w artykule Keshavarz, Raney & Campbell (1993) oraz w artykule Kloosterman & De Graaff (1989) : ten ostatni jest opisem modelu Mextram [1] , obecnie używanego przez niektóre branże półprzewodnikowe do charakteryzowania ich bipolarne tranzystory złączowe .

Metoda graficzna

Graficzna metoda badania zachowania tranzystora lawinowego została zaproponowana w publikacjach Spirito (1968) i Spirito (1971) : metoda ta została najpierw wyprowadzona w celu wykreślenia statycznego zachowania się urządzenia, a następnie została zastosowana również do rozwiązywania problemów dotyczących dynamiczne zachowanie. Metoda jest utrzymana w duchu graficznych metod projektowania układów lampowych i tranzystorowych bezpośrednio z charakterystycznych wykresów podanych w kartach katalogowych producentów.

Aplikacje

Tranzystory lawinowe są używane głównie jako szybkie generatory impulsów , charakteryzujące się czasem narastania i opadania poniżej nanosekundy oraz wysokim napięciem i prądem wyjściowym . Czasami są używane jako wzmacniacze w mikrofal , nawet jeśli to zastosowanie nie jest głównym nurtem: gdy są używane do tego celu, nazywane są „kontrolowanymi triodami czasu przejścia lawiny” ( CATT ).

Obwody przełączające tryb lawinowy

Przełączanie trybu lawinowego polega na lawinowym zwielokrotnieniu prądu płynącego przez złącze kolektor-baza w wyniku jonizacji uderzeniowej atomów w sieci krystalicznej półprzewodnika. Awarie lawinowe w półprzewodnikach znalazły zastosowanie w obwodach przełączających z dwóch podstawowych powodów

• może zapewnić bardzo wysokie prędkości przełączania, ponieważ prąd narasta w bardzo małych czasach, w zakresie pikosekund, z powodu zwielokrotnienia lawinowego.
• Może zapewniać bardzo wysokie prądy wyjściowe, ponieważ duże prądy mogą być kontrolowane przez bardzo małe, ponownie z powodu mnożenia lawinowego.

Dwa obwody omówione w tej sekcji to najprostsze przykłady obwodów tranzystorów lawinowych do celów przełączania: oba szczegółowe przykłady to multiwibratory monostabilne . W literaturze istnieje kilka bardziej złożonych obwodów, na przykład w książkach Roehr (1963) i Дьяконов (Dyakonov) (1973) .

Większość obwodów wykorzystujących tranzystor lawinowy jest aktywowana przez następujące dwa różne rodzaje wejść:

Uproszczony obwód wyzwalania kolektora lawinowego tranzystora bipolarnego npn obsługiwanego przez powszechnie stosowaną sieć polaryzacji.

Uproszczony obwód wyzwalania podstawy lawinowego tranzystora bipolarnego npn obsługiwanego przez powszechnie stosowaną sieć polaryzacji.

• $diodę$ do kolektora przez szybko przełączającą , prawdopodobnie po ukształtowaniu przez sieć kształtującą impulsy . Ten sposób napędzania tranzystora lawinowego był szeroko stosowany w obwodach pierwszej generacji $, ponieważ$ impedancję, a także pojemność kolektora zachowuje dość liniowo w warunkach dużego sygnału. W konsekwencji czas opóźnienia między wejściem a wyjściem jest bardzo mały iw przybliżeniu niezależny od wartości napięcia sterującego . Jednak ten obwód wyzwalający wymaga diody odpornej na wysokie napięcia wsteczne i bardzo szybkiego przełączania, cech, które są bardzo trudne do zrealizowania w tej samej diodzie , dlatego jest rzadko spotykany w nowoczesnych obwodach tranzystorów lawinowych.
• $,$ podawany bezpośrednio do podstawy przez szybko przełączającą diodę po ukształtowaniu przez sieć kształtującą impulsy. Ten sposób napędzania tranzystora lawinowego był stosunkowo rzadziej stosowany w obwodach pierwszej generacji $, ponieważ$ niską impedancję i pojemność wejściową , która jest wysoce nieliniowa (w rzeczywistości jest wykładniczy) w reżimie dużego sygnału: powoduje to dość duży, zależny od napięcia wejściowego czas opóźnienia, który został szczegółowo przeanalizowany w artykule Spirito (1974) . Jednak wymagane napięcie odwrotne dla diody zasilającej jest znacznie niższe niż w przypadku diod stosowanych w obwodach wejściowych wyzwalacza kolektora, a ponieważ ultraszybkie diody Schottky'ego można łatwo i tanio znaleźć, jest to obwód sterujący stosowany w większości nowoczesnych obwodów tranzystorów lawinowych. Jest to również powód, dla którego dioda $w$ obwodach aplikacyjnych jest symbolizowana jako dioda Schottky'ego

Tranzystor lawinowy można również wyzwolić przez obniżenie napięcia emitera $,$ ale taka konfiguracja jest rzadko spotykana w literaturze i praktycznych obwodach: w odnośniku & Stary (1968) akapit 3.2.4 „Obwody wyzwalające” opisano jedną z takich konfiguracji, w której sam tranzystor lawinowy jest używany jako część obwodu wyzwalającego impulsatora złożonego, podczas gdy w referencji Дьяконов (Dyakonov) (1973 , s. 185) zastosowano zrównoważony dyskryminator poziomu, w którym wspólny Bipolarny tranzystor złączowy jest sprzężony emiterowo z tranzystorem lawinowym.

Opisane poniżej dwa pulsery lawinowe są wyzwalane bazowo i mają dwa wyjścia. Ponieważ zastosowanym urządzeniem jest tranzystor NPN, jest wyjściem dodatnim, podczas gdy $jest$ : $out2}}$ Tranzystor odwraca polaryzację wyjść. Opis ich uproszczonych wersji, w których rezystor $}$ rezystor $displaystyle R_ {E$ aby mieć jedno wyjście, może być R mi {\ znalezione w odnośniku Millman & Taub (1965) . Rezystor $}$ kondensator lub linię transmisyjną ( $. magazynowanie energii) .$ { $C$ komponenty) po komutacji. Zwykle ma wysoką rezystancję, aby ograniczyć statyczny prąd kolektora, więc proces ładowania jest powolny. Czasami ten rezystor jest zastępowany układem elektronicznym, który jest w stanie szybciej naładować elementy magazynu energii. Jednak tego rodzaju obwody są zwykle opatentowane , więc rzadko można je znaleźć w głównych obwodach aplikacyjnych.

• Pulser lawinowy rozładowania kondensatora: sygnał wyzwalający podany na przewód bazowy tranzystora lawinowego powoduje przebicie lawinowe między przewodem kolektora a emitera. Kondensator zaczyna być rozładowywany przez prąd płynący przez rezystory $\$ : napięcia na tych rezystorach do $}}$$T$ są napięciami wyjściowymi. Przebieg prądu nie jest prostym prądem wyładowania RC, ale ma złożone zachowanie, które zależy od mechanizmu lawinowego: ma jednak bardzo szybki czas narastania, rzędu ułamków nanosekundy. Prąd szczytowy zależy od wielkości kondensatora $gdy$ jego wartość wzrośnie o kilkaset pikofaradów, tranzystor przechodzi w drugi tryb lawinowy przebicia, a prądy szczytowe osiągają wartości kilku amperów
• Pulser lawinowy linii transmisyjnej: sygnał wyzwalający podany na przewód bazowy tranzystora lawinowego powoduje przebicie lawinowe między przewodem kolektora a emiterem. Szybki czas narastania prądu kolektora generuje impuls prądu o mniej więcej tej samej amplitudzie, który rozchodzi się wzdłuż linii przesyłowej. Impuls dociera $do$ końca linii w obwodzie otwartym po upływie charakterystycznego czasu opóźnienia a następnie jest odbijany do tyłu. Jeśli impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej jest równa rezystancjom $i$$.$ impuls linii i zatrzymuje się W wyniku tego zachowania się fali biegnącej, prąd płynący przez tranzystor lawinowy ma prostokątny kształt czasu trwania

${\ displaystyle t = 2t_ {f} \,}$

W praktycznych projektach regulowana impedancja, taka jak dwuzaciskowa sieć Zobela (lub po prostu kondensator trymera ), jest umieszczana od kolektora tranzystora lawinowego do masy, co daje pulserowi linii transmisyjnej możliwość zmniejszenia dzwonienia i innych niepożądanych zachowań napięć wyjściowych .

Uproszczony tranzystorowy impulsator rozładowania kondensatora.

Tranzystorowy impulsator lawinowy uproszczonej linii transmisyjnej.

Możliwe jest przekształcenie tych obwodów w astabilne multiwibratory poprzez usunięcie ich obwodów wejściowych wyzwalacza i

1. $aż$ zasilania, rozpocznie relaksacyjna lub
2. $podłączenie$ rezystora bazowego $,$ dodatniego podstawowego napięcia polaryzacji rozpoczęcia przebicia lawinowego i związanej z nim relaksacyjnej

Szczegółowy przykład pierwszej procedury opisano w publikacji Holme (2006) . Możliwe jest również wykonanie multiwibratorów bistabilnych w trybie lawinowym , ale ich użycie nie jest tak powszechne jak innych opisanych typów multiwibratorów , jednym z ważnych powodów jest to, że wymagają one dwóch tranzystorów lawinowych, z których jeden pracuje nieprzerwanie w trybie przebicia lawinowego, co może powodować poważne problemy z punktu widzenia rozpraszania mocy i żywotności urządzenia.

Praktycznym, łatwym do zrealizowania i niedrogim zastosowaniem jest generowanie szybko narastających impulsów do sprawdzania czasu narastania sprzętu.

Kontrolowana trioda czasu przejścia lawiny (CATT)

Wzmocnienie trybu lawinowego opiera się na mnożeniu lawinowym jako przełączaniu trybu lawinowego. Jednak dla tego trybu działania konieczne jest, aby współczynnik mnożenia lawinowego Millera $zniekształcenia$ utrzymywany na prawie stałym poziomie dla dużych wahań napięcia wyjściowego: jeśli ten warunek nie jest spełniony, na sygnale wyjściowym pojawiają się znaczne amplitudy . W konsekwencji,

• nie można stosować tranzystorów lawinowych stosowanych w obwodach przełączających, ponieważ współczynnik Millera zmienia się znacznie w zależności od napięcia kolektor-emiter
• punkt pracy urządzenia nie może znajdować się w ujemnej rezystancji obszaru załamania lawinowego

Te dwa wymagania oznaczają, że urządzenie używane do wzmacniania wymaga innej struktury fizycznej niż typowy tranzystor lawinowy. Kontrolowana trioda czasu przejścia lawiny (CATT), przeznaczona do wzmacniania mikrofal , ma dość duży obszar słabo domieszkowany między podstawą a obszarami kolektora, co daje urządzeniu napięcie przebicia kolektor-emiter. $BV_ {CEO}}$ dość wysokie w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi o tej samej geometrii. Mechanizm wzmocnienia prądu jest taki sam jak w przypadku tranzystora lawinowego, tj. generowanie nośnika przez jonizację uderzeniową , ale istnieje również efekt czasu przejścia, jak w przypadku diod IMPATT i TRAPATT , gdzie obszar wysokiego pola przemieszcza się wzdłuż złącza lawinowego , dokładnie wzdłuż region wewnętrzny. Wskazuje na to konstrukcja urządzenia i wybór punktu polaryzacji

1. Współczynnik mnożenia lawiny Millera M jest ograniczony do około 10.
2. Efekt czasu przejścia utrzymuje ten współczynnik prawie na stałym poziomie i niezależnie od napięcia kolektor-emiter.

Teoria tego rodzaju tranzystora lawinowego została całkowicie opisana w artykule Eshbach, Se Puan & Tantraporn (1976) , który również pokazuje, że ta struktura urządzenia półprzewodnikowego dobrze nadaje się do wzmacniania mocy mikrofal . Może dostarczyć kilka watów mocy o częstotliwości radiowej przy częstotliwości kilku gigaherców , a także ma terminal kontrolny, podstawę . Jednak nie jest szeroko stosowany, ponieważ do prawidłowego działania wymaga napięć przekraczających 200 woltów , podczas gdy arsenek galu lub inne złożone półprzewodnikowe FET zapewniają podobną wydajność, a jednocześnie są łatwiejsze w obsłudze. Podobną konstrukcją urządzenia, zaproponowaną mniej więcej w tym samym okresie w pracy Carrol & Winstanley (1974) , był IMPISTOR, będący tranzystorem ze złączem kolektor-baza IMPATT .

mikrofalowego CATT .

Zobacz też

• Dioda lawinowa

Notatki

• Baker, R. Jacob (1991), „Generowanie impulsów wysokiego napięcia przy użyciu drugiego przebicia w trybie prądowym w bipolarnym tranzystorze złączowym” , Review of Scientific Instruments , The American Institute of Physics, 62 (4): 1031–1036, Bibcode : 1991RScI. ..62.1031B , doi : 10.1063/1.1142054 , zarchiwizowane od oryginału w dniu 24.02.2013 . Przejrzysty opis obwodów tranzystorów lawinowych pracujących w drugim rejonie przebicia (ograniczony dostęp): jednak kopia ze strony autora jest dostępna tutaj .
•   Eshbach, John R.; Se Puan, Yu; Tantraporn, Wirojana (1976), „Teoria nowego trójzaciskowego mikrofalowego wzmacniacza mocy”, IEEE Transactions on Electron Devices , IEEE , 23 (3): 332–343, Bibcode : 1976ITED... 23..332S , doi : 10.1109/t-ed.1976.18401 , S2CID 24745109 . Pierwszy artykuł opisujący zasady działania i potencjalne zastosowania CATT (ograniczony dostęp).
• Meiling, Wolfgang; Stary, Franz (1968), Nanosekundowe techniki impulsowe , Nowy Jork - Londyn - Paryż : Gordon & Breach Science Publishers . Sekcje 3.1.5 „Tranzystory lawinowe”, 3.2 i 3.4 „Obwody wyzwalające zawierające tranzystory lawinowe”.
• Millman, Jakub; Taub, Herbert (1965), Przebiegi impulsowe, cyfrowe i przełączające , Nowy Jork - St. Louis - San Francisco - Toronto - Londyn - Sydney : McGraw-Hill Book Company . Głównie sekcje 6.9, 6.10, 12.10, 13,16, 13.17.
• Roehr, William D. (1963), Podręcznik szybkiego przełączania tranzystorów (wyd. 3. druk), Phoenix : Motorola Inc. , Rozdział 9 „Przełączanie trybu lawinowego”.
• Tranzystor lawinowy ZTX413 Zetex Semiconductor Design Note 24, październik 1995.
• tranzystora lawinowego Zetex Semiconductor ZTX413 , marzec 1994 r.
• Tranzystor trybu lawinowego ZTX415 Zetex Semiconductors — nota aplikacyjna 8, styczeń 1996 r.

Bibliografia

• Ebers, JJ ; Miller, SL (1955), „tranzystory lawinowe ze stopu” (PDF) , Bell System Technical Journal , 34 (5): 883–902, doi : 10.1002/j.1538-7305.1955.tb03783.x . Pierwsza praca analizująca zastosowanie bipolarnych tranzystorów złączowych w regionie lawinowym.
• Kennedy, DP; O'Brien, RR (1966), „Obliczenia lawinowe dla płaskiego złącza pn” , IBM Journal of Research and Development , 10 (3): 213–219, doi : 10.1147 / rd.103.0213 . Artykuł zawierający dokładną analizę zjawiska przebicia lawinowego w płaskich pn , jakie występują w prawie wszystkich współczesnych tranzystorach.
• Miller, SL (1955), „Avalanche Breakdown w Germanium”, Physical Review , 99 (4): 1234–1241, Bibcode : 1955PhRv...99.1234M , doi : 10.1103/physrev.99.1234 . Artykuł, w którym po raz pierwszy pojawił się powyższy wzór na lawinowy współczynnik mnożenia M (dostęp ograniczony).
• Дьяконов (Dyakonov), Vladimir Pavlovich (1973), Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах , Советское radио (Sovetsko e Radio) ( w spakowanym formacie djvu ). „ Tranzystory lawinowe i ich zastosowanie w obwodach impulsowych ” to bardzo rzadka książka, którą warto przeczytać, zwłaszcza dla rosyjskiego czytelnika: dogłębne omówienie teorii tranzystora lawinowego, analiza praktycznych obwodów i bogata bibliografia obejmująca 125 tytułów .
• Дьяконов (Dyakonov), Vladimir Pavlovich (2008), Лавинные транзисторы и тиристоры. теория и применение , Москва.СОЛОН-Пресс (Moskwa. SOLON-Press), zarchiwizowane od oryginału w dniu 2008-05-01 . „ Tranzystory lawinowe i tyrystory. Teoria i zastosowania ”: najnowsza książka na ten sam temat.

Linki zewnętrzne

Teoria

• Karol, JE; Winstanley, HC (1974), „Ulepszenia tranzystorów za pomocą kolektora IMPATT” , Electronics Letters , IEEE , 10 (24): 516–518, Bibcode : 1974ElL....10..516W , doi : 10.1049/el:19740410 . Artykuł proponujący i opisujący IMPISTOR , urządzenie półprzewodnikowe podobne do CATT.
• Дьяконов (Dyakonov), Владимир Павлович (Vladimir Pavlovich) (2004a), нзисторов с учетом лавинного пробоя (Analiza statycznej charakterystyki woltowo-amperometrycznej diod i tranzystorów, w tym przebicia lawinowego)” , Exponenta.ru , zarchiwizowane z oryginału w dniu 2006-10-09 , pobrane 2006-12-09 . Artykuł analizujący charakterystykę woltowo-amperometryczną diod i tranzystorów za pomocą programu do algebry komputerowej Mathematica .
• Дьяконов (Dyakonov), Владимир Павлович (Vladimir Pavlovich) (2004b), транзисторе (Obliczanie parametrów impulsu jako funkcji pojemności w oscylatorze relaksacyjnym tranzystora lawinowego)" , Exponenta.ru , zarchiwizowane z oryginał w dniu 16.10.2006 , pobrany 09.12.2006 . Artykuł na temat projektu oscylatora relaksacyjnego tranzystora lawinowego przy użyciu programu do algebry komputerowej Mathematica
•   Hamilton, Douglas J.; Gibbons, James F.; Shockley, Walter (1959), „Fizyczne zasady obwodów impulsowych tranzystora lawinowego” , IRE Solid-State Circuits Conference, tom II , s. 92–93, doi : 10.1109 / ISSCC.1959.1157029 , S2CID 51672873 . Krótki opis podstawowych zasad fizycznych obwodów tranzystorów lawinowych: pouczający i interesujący, ale „ograniczony dostęp”.
• Huang, Jack ST (1967), „Badanie stabilności obwodów przełączających tranzystory w regionie lawinowym”, IEEE Journal of Solid-State Circuits , 2 (1): 10–21, Bibcode : 1967IJSSC… 2… 10H , doi : 10.1109/jssc.1967.1049775 . Teoretyczne badanie stabilności tranzystora spolaryzowanego w obszarze lawinowym (dostęp ograniczony).
• Keszawarz, AA; Raney, CW; Campbell, DC (1 sierpnia 1993), Report SAND--93-0241C. Model awarii tranzystora bipolarnego do użytku z symulatorami obwodów (PDF) , Sandia National Laboratories, dostępny w Biurze Informacji Naukowo-Technicznej Departamentu Energii USA . Raport opisujący model tranzystora umożliwiający uwzględnienie efektów lawinowych w SPICE .
• Kloosterman, WJ; De Graaff, HC (1989), „Mnożenie lawiny w kompaktowym modelu tranzystora bipolarnego do symulacji obwodu”, IEEE Transactions on Electron Devices , IEEE , 36 (7): 1376–1380, Bibcode : 1989ITED... 36,1376K , doi : 10.1109/16.30944 . Artykuł opisujący model Mextram SPICE z punktu widzenia symulacji zachowań lawinowych. Bezpłatną kopię znajdującą się na stronie głównej Mextram w NXP można znaleźć tutaj .
• Rickelt, M.; Rein, HM (2002), „Nowy model tranzystora do symulacji efektów lawinowych w obwodach bipolarnych Si”, IEEE Journal of Solid-State Circuits , IEEE , 37 (9): 1184–1197, Bibcode : 2002IJSSC ... 2.1184 R , doi : 10.1109/JSSC.2002.801197 . Artykuł opisujący model tranzystorowy do symulacji obwodu bipolarnego z uwzględnieniem efektów lawinowych (dostęp ograniczony).
• Jochen Riks „ Tranzystor lawinowy ” (w języku niemieckim). Krótki opis zasady działania tranzystora lawinowego, część kursu „ Impulsschaltungen F-Praktikum EXP 10 ”, czerwiec 1996, Fachschaft Physik Uni Düsseldorf.
• Spirito, Paolo (1968), „Direct Current-Voltage Characteristics of Transistors in the Avalanche Region”, IEEE Journal of Solid-State Circuits , 3 (2): 194–195, Bibcode : 1968IJSSC ... 3..194S , doi : 10.1109/jssc.1968.1049869 . Artykuł proponujący graficzną metodę wykreślania charakterystyki statycznej tranzystora lawinowego (dostęp ograniczony).
• Spirito, Paolo (1971), „Statyczne i dynamiczne zachowanie tranzystorów w regionie lawinowym”, IEEE Journal of Solid-State Circuits , 6 (2): 83–87, Bibcode : 1971IJSSC… 6… 83S , doi : 10.1109/jssc.1971.1049655 . Artykuł popychający dalsze badania tranzystora lawinowego metodą graficzną zaproponowaną w poprzedniej pracy (dostęp ograniczony).
• Spirito, Paolo (1974), „O opóźnieniu wyzwalania tranzystorów lawinowych”, IEEE Journal of Solid-State Circuits , 9 (5): 307–309, Bibcode : 1974IJSSC...9..307S , doi : 10.1109/jssc .1974.1050518 . Artykuł analizujący czas opóźnienia wyzwalania tranzystorów lawinowych za pomocą analizy numerycznej (dostęp ograniczony).
• Spirito, Paolo; Vitale, GF (1972), „Analiza dynamicznego zachowania obwodów przełączających przy użyciu tranzystorów lawinowych”, IEEE Journal of Solid-State Circuits , 7 (4): 315–320, Bibcode : 1972IJSSC...7..315S , doi : 10.1109/jssc.1972.1050310 . Artykuł, w którym analityczny model zachowania się tranzystora lawinowego wyprowadza się po odpowiednich przybliżeniach (ograniczony dostęp).

Aplikacje

• Biddle, Wade; Lonobile, David (1997), „Rozwój obwodów odchylających z przemiataniem przy użyciu wspomaganego komputerowo projektowania obwodów dla wielokanałowej kamery smugowej OMEGA” (PDF) , LLE Review , 73 : 6–14 . Artykuł opisujący szybki generator przemiatania dla kamery smugowej zbudowany z szeregowo połączonych obwodów tranzystora lawinowego.
• Chaplin, GBB (1958), „Metoda projektowania tranzystorowych obwodów lawinowych z zastosowaniem do czułego oscyloskopu tranzystorowego” , IRE Solid-State Circuits Conference, tom I , s. 21–23, doi : 10.1109 / ISSCC.1958.1155606 . Artykuł opisujący zastosowanie tranzystorów lawinowych do konstrukcji oscyloskopu próbkującego: dostępne streszczenie, pełny artykuł to „dostęp ograniczony”.
• Fulkerson, E. Stephen; Norman, Douglas C.; Booth, Rex (28 maja 1997), Raport UCRL-JC--125874 - Prowadzenie komórek Pockelsa za pomocą tranzystorów lawinowych , Lawrence Livermore National Laboratory . Dostępne w Biurze Informacji Naukowo-Technicznej Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych . Raport opisujący konstrukcję sterownika do ogniw Pockels Q-switch .
• Holme, Andrew (2006), Avalanche tranzystorowy generator impulsów , zarchiwizowane z oryginału w dniu 6 maja 2008 r . , Pobrane 23 kwietnia 2008 r . Projekt, zainspirowany notatkami aplikacyjnymi Linear Technology AN72 i AN94 Jima Williamsa, astabilnego multiwibratora z tranzystorem lawinowym ze schematami, przebiegami i zdjęciami układu.
•   Kilpelä, Ari (2004), Pulsacyjne techniki dalmierza laserowego z pomiarem czasu przelotu do szybkich i precyzyjnych zastosowań pomiarowych , Acta Universitatis Ouluensis Technica, tom. 197, Oolu: Uniwersytet w Oulu , ISBN 978-951-42-7261-5 . Rozprawa naukowa przedstawiona za zgodą Wydziału Technicznego. Praca doktorska opisująca Laserowy Radar TOF (Time Of Flight) i jego budowę z wykorzystaniem lawinowego impulsatora tranzystorowego.
• Kilpelä, Ari; Kostamovaara, Juha (1997), „Pulsator laserowy do radaru laserowego czasu przelotu” , Review of Scientific Instruments , The American Institute of Physics, 68 (6): 2253–2258, Bibcode : 1997RScI ... 68.2253K , doi : 10.1063/1.1148133 , zarchiwizowane z oryginału w dniu 19.07.2011 , pobrane 21.02.2011 (wersja przedruku tutaj ). Artykuł opisujący impulsator tranzystorowy lawinowy i jego zastosowanie jako lasera w radarze laserowym .
• Strona domowa NXP Mextram Bardzo bogate repozytorium dokumentów na temat modelu SPICE tranzystora bipolarnego złączowego Mextram , zdolnego do symulacji zachowania podczas przebicia lawinowego .
• „ Obsługa pulsacyjnej diody laserowej SPL LLxx ”, „ Wyznaczanie odległości za pomocą pulsacyjnych diod laserowych ” OSRAM Opto Semiconductors GmbH Notatki aplikacyjne, 2004-09-10. Dwie notatki aplikacyjne firmy Osram Opto Semiconductors opisujące pulsacyjne działanie diody laserowej przy użyciu tranzystorów lawinowych i innego rodzaju sterowników.
• Pellegrin, JL (wrzesień 1969), SLAC-PUB-0669 - Increasing the Stability of Series Avalanche Tranzystor Circuits , Stanford Linear Accelerator Center , zarchiwizowane od oryginału w dniu 26.12.2004 . Artykuł opisujący metodę poprawy wydajności banków połączonych szeregowo obwodów tranzystorów lawinowych.
• Williams, Jim (2003), „The taming of the Slew” , EDN Magazine (25 września): 57–65, zarchiwizowane z oryginału w dniu 28.06.2006 (kopia w formacie PDF, patrz tutaj ). Szczegółowy artykuł opisujący budowę i działanie generatora impulsów z tranzystorem lawinowym do testowania szybkości narastania bardzo szybkich wzmacniaczy operacyjnych. Ukazał się również pod tytułem „ Slew Rate Verification for Wideband Amplifiers – The Taming of the Slew ”, nota aplikacyjna AN94, Linear Technology, maj 2003 . Sierpień 1991, gdzie astabilny obwód podobny do tego opisanego przez Holme'a jest szczegółowo opisany w dodatku D, strony 93-95.

Varia

• Akademicka strona internetowa R. Jacoba Bakera na University of Nevada w Las Vegas . Współautor teorii i zastosowań tranzystorów lawinowych.
• Владимир Павлович Дьяконов (Vladimir Pavlovich D'yakonov) (po rosyjsku ). Kilka notek biograficznych o jednym z czołowych współtwórców teorii i zastosowania tranzystorów lawinowych.
• Akademicka strona internetowa Ari Kilpelä na Uniwersytecie w Oulu . Badacz zajmujący się teorią i zastosowaniami lawinowych układów tranzystorowych.