Введение

Лавинный транзистор – это биполярный транзистор, предназначенный для работы в области своей вольт-амперной характеристики коллектора, за пределами напряжения пробоя коллектор-эмиттер, называемой областью лавинного пробоя. Эта область характеризуется лавинным пробоем – явлением, аналогичным таунсендовскому разряду в газах, и отрицательным дифференциальным сопротивлением. Работа в области лавинного пробоя называется лавинным режимом работы, который позволяет лавинным транзисторам коммутировать очень высокие токи с временем нарастания и спада менее наносекунды (временами переключения). Транзисторы, не разработанные специально для этой цели, могут обладать достаточно стабильными лавинными характеристиками; например, 82% образцов 15-вольтового высокоскоростного переключателя 2N2369, произведенных за 12-летний период, были способны генерировать импульсы лавинного пробоя с временем нарастания 350 пс или менее при использовании источника питания 90 В, как пишет Джим Уильямс.

История

Первая работа, посвященная лавинным транзисторам, – [название статьи]. В статье описывается, как использовать транзисторы со сплавными переходами в области лавинного пробоя для преодоления ограничений по скорости и напряжению пробоя, которые влияли на первые модели транзисторов такого типа при использовании в ранних компьютерных цифровых схемах. Поэтому первые применения лавинных транзисторов были в схемах переключения и мультивибраторах. Введение лавинного транзистора также стало применением эмпирической формулы Миллера для коэффициента лавинного умножения, впервые представленной в работе [название статьи]. Необходимость более глубокого понимания поведения транзистора в области лавинного пробоя, а не только для работы в лавинном режиме, привела к обширным исследованиям по ионизационному удару в полупроводниках (см. [ссылка]). С начала 1960-х до первой половины 1970-х годов было предложено несколько схем на лавинных транзисторах. Исследовался тип биполярного транзистора, наиболее подходящий для использования в области лавинного пробоя. Полный обзор, включающий вклад ученых из бывшего СССР и стран СЭВ, представлен в книге [название книги]. Первое применение лавинного транзистора в качестве линейного усилителя, названного Controlled Avalanche Transit Time Triode (CATT), было описано в [название статьи]. Аналогичное устройство, названное IMPISTOR, было описано примерно в тот же период в работе [название статьи]. Линейные применения этого класса устройств начались позже, поскольку необходимо выполнить определенные требования, как описано ниже. Использование лавинных транзисторов в этих приложениях не является широко распространенным, поскольку устройства требуют высокого напряжения между коллектором и эмиттером для правильной работы. В настоящее время продолжаются активные исследования лавинных устройств (транзисторов или других), изготовленных из сложных полупроводников, способных переключать токи в несколько десятков ампер даже быстрее, чем "традиционные" лавинные транзисторы.

Второй режим лавины

Когда коллекторный ток превышает предел, указанный в технической документации, начинает действовать новый механизм пробоя: второй пробой. Это явление вызвано локальным перегревом (образованием горячих точек) в области база-эмиттер биполярного транзистора, что приводит к экспоненциальному увеличению тока через эти точки. Это экспоненциальное увеличение тока, в свою очередь, вызывает еще больший перегрев, инициируя положительную тепловую обратную связь. При анализе статической характеристики это явление проявляется как резкое падение напряжения коллектора и соответствующее почти вертикальное увеличение тока коллектора. В настоящее время невозможно изготовить транзистор без горячих точек, а следовательно, и без второго пробоя, поскольку их образование связано с технологией очистки кремния. В процессе очистки в локализованных участках кремниевой пластины остаются очень малые, но конечные количества металлов: эти частицы металлов становятся глубокими центрами рекомбинации, то есть областями, где ток протекает преимущественно. Хотя это явление деструктивно для биполярных транзисторов, работающих в обычном режиме, его можно использовать для дальнейшего повышения предельных значений тока и напряжения устройства, работающего в лавинном режиме, путем ограничения длительности его работы. При этом скорость переключения устройства не ухудшается. Подробное описание лавинных транзисторных схем, работающих в режиме второго пробоя, и примеры можно найти в статье.

Числовые моделирования

Лавиновые транзисторные схемы изначально являются схемами, работающими с большими сигналами, поэтому малые сигнальные модели, применяемые к таким схемам, могут дать лишь качественное описание. Для получения более точной информации о поведении изменяющихся во времени напряжений и токов в таких схемах необходимо использовать численный анализ. "Классический" подход, подробно описанный в статье, основанной на книге, заключается в рассмотрении схемы как системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений и их решении численным методом, реализованным в универсальном программном обеспечении для численного моделирования: результаты, полученные таким образом, достаточно точны и легко получаются. Однако эти методы опираются на использование аналитических транзисторных моделей, наиболее подходящих для анализа области пробоя: эти модели не обязательно пригодны для описания работы прибора во всех возможных режимах. Более современный подход – использование общепринятого аналогового симулятора SPICE вместе с продвинутой транзисторной моделью, поддерживающей моделирование лавинного пробоя, что не обеспечивает базовая транзисторная модель SPICE. Примеры таких моделей описаны в статье и в статье: последняя представляет собой описание модели Mextram, которая в настоящее время используется некоторыми полупроводниковыми компаниями для характеризации их биполярных транзисторов.

Графический метод

Графический метод исследования поведения лавинового транзистора был предложен в работах [ссылки] и [ссылки]: метод был первоначально разработан для построения статической характеристики устройства, а затем также применен для решения задач, связанных с динамическим поведением. Этот метод основан на принципах графических методов, используемых для проектирования ламповых и транзисторных схем непосредственно по характеристикам, представленным в документации производителей.

Приложения

Транзисторы лавинного пробоя в основном используются как быстрые генераторы импульсов, характеризующиеся временем нарастания и спада менее наносекунды, а также высоким выходным напряжением и током. Они иногда применяются в качестве усилителей в диапазоне микроволновых частот, хотя это применение не является широко распространенным: в этом случае они называются "триодами лавинного транзита с управляемым пробоем" (CATT).

Теория

Документ, предлагающий и описывающий IMPISTOR, полупроводниковое устройство, аналогичное CATT. Статья, анализирующая вольт-амперметрическую характеристику диодов и транзисторов с использованием компьютерной алгебраической программы Mathematica. Статья о разработке генератора релаксации на лавинном транзисторе с использованием компьютерной алгебраической программы Mathematica. Краткое описание основных физических принципов лавинных транзисторных схем: познавательно и интересно, но "ограниченный доступ". Теоретическое исследование стабильности транзистора, работающего в лавинном режиме (ограниченный доступ). Доступно в Управлении научно-технической информации Министерства энергетики США. Отчет, описывающий модель транзистора, способную учитывать лавинные эффекты при моделировании в SPICE. Статья, описывающая SPICE-модель Mextram с точки зрения моделирования лавинного поведения. Бесплатную копию можно найти на домашней странице NXP по адресу Mextram: [здесь]. Статья, описывающая модель транзистора для моделирования биполярных схем, включая лавинные эффекты (ограниченный доступ). Йохен Рикс "Аваланшный транзистор" (на немецком языке). Краткое описание принципа работы лавинного транзистора, часть курса "Impulsschaltungen F Praktikum EXP 10", июнь 1996 г., Факультет физики Университета Дюссельдорфа. Статья, предлагающая графический метод построения статической характеристики лавинного транзистора (ограниченный доступ). Статья, развивающая исследование лавинного транзистора с использованием графического метода, предложенного в предыдущей работе (ограниченный доступ). Статья, анализирующая время задержки срабатывания лавинных транзисторов с помощью численного анализа (ограниченный доступ). Статья, в которой выведена аналитическая модель поведения лавинного транзистора после проведения соответствующих приближений (ограниченный доступ).

Приложения

Статья, описывающая генератор быстрой развертки для стрийной камеры, построенной с использованием последовательно соединенных лавинных транзисторных схем. Статья, описывающая применение лавинных транзисторов в конструкции выборочного осциллографа: имеется реферат, полная статья имеет статус "ограниченный доступ". Доступна в Управлении научно-технической информации Министерства энергетики США. Отчет, описывающий конструкцию драйвера для Q-коммутаторов на основе ячеек Поккельса. Проект, вдохновленный прикладными заметками Jim Williams из Linear Technology AN72 и AN94, представляет собой астабильный мультивибратор на лавинных транзисторах с принципиальными схемами, формами сигналов и фотографиями макета. Академическая диссертация, представленная с согласия Технического факультета. Докторская диссертация, описывающая лазерный радар TOF (Time Of Flight) и его конструкцию с использованием импульсного генератора на лавинных транзисторах. (Предварительная версия здесь). Статья, описывающая импульсный генератор на лавинных транзисторах и его использование в качестве драйвера лазера в лазерном радаре. Главная страница NXP Mextram. Обширный репозиторий документов о SPICE-модели биполярного транзистора Mextram, способной моделировать поведение при лавинном пробое. "Эксплуатация импульсного лазерного диода SPL LLxx", "Определение дальности с использованием импульсных лазерных диодов" – прикладные заметки OSRAM Opto Semiconductors GmbH, 2004 09 10. Две прикладные заметки от Osram Opto Semiconductors, описывающие импульсный режим работы лазерного диода с использованием лавинных транзисторов и других типов драйверов. Статья, описывающая метод повышения производительности банков последовательно соединенных лавинных транзисторных схем. (Для получения PDF-копии смотрите здесь). Подробная статья, описывающая конструкцию и характеристики предварительного импульсного генератора на лавинных транзисторах для тестирования скорости нарастания очень быстрых операционных усилителей. Также опубликована под названием "Проверка скорости нарастания для широкополосных усилителей – Укрощение скорости нарастания", прикладная заметка AN94, Linear Technology, май 2003 года. См. также, от того же автора, прикладную заметку Linear Technology AN47, "Методы построения высокоскоростных усилителей", август 1991 года, где в Приложении D на страницах 93–95 подробно описана астабильная схема, аналогичная описанной Холмом.

Изменение

R. Jacob Baker Академическая веб-страница в Университете Невады, Лас-Вегас. Внес вклад в теорию и применение лавинных транзисторов. Владимир Павлович Дьяконов (Vladimir Pavlovich D'yakonov) (на русском языке). Некоторые биографические сведения об одном из ведущих разработчиков теории и применения лавинных транзисторов. Ari Kilpelä Академическая веб-страница в Университете Оулу. Исследователь, занимающийся теорией и применением лавинных транзисторных схем.