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.
not only for use in avalanche mode, gave rise to an extensive research on impact ionization in semiconductors (see ). From the beginning of the 1960s to the first half of the 1970s, several avalanche transistor circuits were proposed. The kind of bipolar junction transistor best suited for use in the avalanche breakdown region was studied. A complete reference, which includes also the contributions of scientists from ex USSR and COMECON countries, is the book by
The first application of the avalanche transistor as a linear amplifier, named Controlled Avalanche Transit Time Triode, (CATT) was described in A similar device, named IMPISTOR was described more or less in the same period in the paper of
Linear applications of this class of devices started later since there are some requirements to fulfill, as described below. The use of avalanche transistors in those applications is not mainstream since the devices require high collector to emitter voltages in order to work properly. Nowadays, there is still active research on avalanche devices (transistors or other) made of compound semiconductors, capable of switching currents of several tens of amperes even faster than "traditional" avalanche transistors.
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.