Главная >  Радитехнология низких температур 

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

и,( = const, показывает, что в соответствии с приведенными ранее соображениями при охлаждении до низких температур происходит параллельное перемещение характеристик в сторону больших прямых напряжений смещения на базе, а р растет [см. (2.51)].

На рис. 2.22 приведены выходные статические вольтамперные характеристики /к = ф(к) транзистора типа

--

иОЛв (1ь-Ч00мкп)

Ur,=0,35 в (Is -- 90.мка)

Us =!0,69в (1=320 мка)

Us=0,32в (Is-- Mia) Ub=0,678 (1в = \58мка)

и5= 0.29в (Is - 20мка) U(i=-0,65B (Is = 6t мка) и = 0,26 e(Is= Юмка)

0,5 1

Рис. 2.22. Выходные характеристики транзисторов типа П-411А, снятые при Ьб = const:

----при комнатной температуре;--- - при Г-?? К-

П-411, снятые при f/6 = const, при комнатной и азотной температурах. Как видно из приведенного семейства характеристик, вид их и форма совершенно одинаковы; при охлаждении до указанной температуры происходит только их параллельное смещение вниз по оси тока коллектора. Для получения при низких температурах выходных характеристик, одинаковых по виду зависимости тока коллектора от напряжения на нем с характеристиками при 7 ~300°К приходится подавать между эмиттером и базой примерно вдвое большее напряжение.

- 112 -

В.ходные и выходные характеристики транзистора еще не дают полной картины влияния низких температур на свойства транзисторов, поэтому были сняты характеристики прямой передачи - зависимость /к = =г5(Иб) при K=const. На рис. 2.23 сплошной линией представлена средняя статическая вольтамперная характеристика прямой передачи и показаны границы разброса характеристик (за-

к с;

сторов типа П-411А, снятых при комнатной и азотной температурах.

Анализ этих характеристик показывает, что при температуре жидкого азота для получения такого же режима по току коллектора, как и при комнатной температуре, напряжение необ-

ходимо примерно удваивать. Из этого же графика видно, что при температуре жидкого азота разброс характеристик транзисторов увеличивается.

На рис. 2.24 даны статические вольтамперные характеристики прямой передачи одного из транзисторов П-411 А, снятые при проведении четырех последовательных циклов охлаждения до температуры жидкого азота. Из рассмотрения этих характеристик видно, что при нагреве до комнатной температуры они имеют некоторый разброс, хотя II, III и IV почти слились. Характеристики, снятые при температуре жидкого азота, практически совпадали. Таким образом, видно, что при многократном охлаждении до температуры жидкого азота вольтамперные характеристики имеют хорошую цикличность.

8-2175 - 113 -

0.2 0.3 О 0.5 0,6 0.7 0.8 Us.t

Рис. 2.23. Статические вольтамперные характеристики прямой передачи для партии из 17 транзисторов типа П-4111А, снятые при наппяжснии (7к = 4 в при 7 = = 293°К (а) и при Г = 77- К (б):

средняя характеристика;

----границы разброса характеристик.



Анализ результатов измерений показывает, что практически все параметры, за исключением входной проводимости, при комнатной и азотной температурах сохраняют свое значение не-, изменным. У германиевых сплавно-диффузи-онных транзисторов, например, типа П-416, при переходе от Т = = 300° К к Г = 77°К входное сопротивление уменьшается примерно в два раза, а выходное сопротивление изменяется незначительно и величина а несколько снижается.

Из рассмотрения статических входных и выходных вольтампер-ных характеристик транзисторов, снятых при температуре жидкого азота, также следует, что:

- напряжение на базе транзистора, обе-- спечивающее рабочую

0,2 аз 0.4 0,5 0,6 0,7 иь,& оку выбираемую по


Рис. 2.24. Статические вольтамперные характеристики прямой передачи транзистора типа П4Г1А, снятые при четырех последовательных циклах: охлаждение до 7 = 77° К (а) и нагрев до 7-=293°К (б).

току коллектора, должно быть вдвое больше, чем ари комнатной температуре. Входное сопротивление транзистора уменьшается и определяется соотношением между Гэ и г{Т), а(Т);

- семейство выходных статических характеристик транзистора при температуре жидкого азота сжимается; для получения одинаковых изменений тока коллектора требуется меньшее из.менение напряжения f/эб, чем при комнатной температуре.

Измерение коэффициента шума охлажденного транзисторного усилителя па частотах около 70 Мгц показа-

ло, что при использовании транзисторов, выдержавших циклы охлаждения, наблюдается тенденция к уменьшению собственных шумов.

Остальные параметры ряда отечественных транзисторов [13, 14] при снпженпн температуры от 343° до 80° К изменяются следующим образом:

- граничная частота (в схеме с заземленной базой) почти не меняется;

- предельная частота генерации / акс при снижении температуры до 170° К возрастает с 310 до 340 Мгц;

- емкость коллектора почти не меняется.

Как было Отмечено ранее, у полупроводников с разной концентрацией примесей температур, при которой начинает сказываться деионизация примеси, а также температура, при которой длина диффузии L и другие параметры ухудшаются, различны. Причем резкое увеличение крутизны вольтамперных характеристик при о.хлаждении также во многом зависит от материала и технологии. Поэтому для создания охлажденных транзисторов со значительно улучшенными параметрами, наряду с выбором оптимальной технологии и с учетом свойств применяемых материалов для обычных транзисторов, целесообразно использовать интерметаллические соединения (InSb, InAs и др.) и новые методы конструирования приборов. В частности, для исключения явления вымораживания носителей заряда в базовой области, наступающего при очень низких температурах, целесообразно применять сильно легированный, вплоть до вырождения, материал.

.Можно показать, что частотные свойства транзисторов за счет охлаждения могут быть зггачительно улучшены. Это следует, например, из анализа известного выражения для фактора качества М транзистора:

Где Sk - площадь коллекторного перехода; Л/ -концентрация примесей в базе. В весьма широком интервале низких температур; где деионизация примесей еще не возникает, член yVJJ по сравнению с произведением подвижностей дырок и

8* -115-



Электронов naivieHHetCH незначительйо. IlostoMy для увеличения фактора качества на порядок и более необходимо выбирать полупроводниковые материалы, у которых упомянутое произведение максимально при заданном уровне охлаждения.

В связи с этим исключительный интерес представляет возможность использования антпмопида индия (§ 2). Кроме того, для этой цели весьма перспективны и другие материалы, например InAs.

Из работ, посвященных полупроводниковым приборам на базе антимонида индия, прежде всего следует отметить [33]. В этой статье автор дает теоретический анализ высокочастотных свойств и технологии изготовления транзисторов из InSb. Был практически осуществлен меза-транзистор с п-р-п структурой и концентрацией примесей в базе Л = 4-10* смг, подвижность носителей в материале при температуре жидкого азота

составляла ц = 4,4-10

в-сек

. Наилучшие свойства при

использовании в качестве акцепторных примесей Zn, Cd, Mg и Hg были обнаружены в результате внесения магния.

Интересно сообщение о разработке научно-исследовательским центром американской фирмы Spraque Electric транзистора с металлической базой, теоретически имеющего граничную частоту 20 Ггц. База транзистора в виде

слоя металла толщиной 100 А соединена с двух сторон слоями монокристаллического кремния. При понижении температуры вплоть до 70°К усиление транзистора повышается, а уровень внутренних шумов падает.

Положительный эффект в ряде охлажденных схем может дать использование полевых (канальных) транзисторов, у которых коэффициент усиления при охлаждении чаще всего увеличивается. Как известно, крутизна характеристики такого транзистора определяется проводимостью канала. Причем существенную роль играет проводимость объема полупроводника между каналом и нижним невыпрямляющим электродом - катодом, так как этот объем участвует как во входной, так и в выходной цепи. Путем выбора материала и концентрации примесей максимум проводимости может быть сдвинут в сторону низких температур.

Наиболее характерные экспериментальные зависимости проводимости канала от температуры были получены на малошумящем приборе типа Crystalonics С-620 [48]. Проводимость этого транзистора при охлаждении его от 294 до 109° К возросла в два раза, а при дальнейшем охлаждении до 77° К несколько упала. Частотные характеристики усилителя, выполненного на полевом транзисторе типа С-624, при охлаждении до 77° К значительно улучшаются. Произведение усиления на полосу пропускания возросло более чем в 4 раза при одном и том же сопротивлении нагрузки.

Представляет также практический интерес использование для создания криогенных транзисторов явления излучения света из охлажденного р-п перехода на базе GaAs [52]. В таком приборе, называемом оптотранзисто-ром, луч света принимается вторым собирающим переходом на противоположной стороне базы транзистора. Можно полагать, что такие приборы, особенно при изготовлении их на основе InSb, будут иметь хорошие параметры при очень низких температурах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вул Б. М. О р-п переходах при низких температурах. ДАН СССР, 1959, т. 129, № 1, стр. 61.

2. А н с е л ь м А, И. Введение в теорию полупроводников. Физмат-гиз, 1962,

3. Шайв Дж. Н, Физические свойства и конструкции полупроводниковых приборов. Пер. с англ. Госэпергоиздат, 1963,

4. Вул Б. М., Заварицкая Э. И. ЖЭТФ, il960, т. 38, вып. 1,

стр. 10,

5. А л ф е е в В. Н., Е к и м о в В. Д. Охлаждаемые смесители СВЧ. В сб. Полупроводниковые приборы и их применение , под ред. Федотова Я. А., 1965, вып. 14, Изд-во Советское радио .

6. Чу ей ко в В. А. Физика твердого тела. Сб. статей. Изд-во АН СССР 1959.

7. Yajma Т., Esaki L. J. Phys. Soc. Japan, 1958, № 13(11), p. 1281.

8. Борисов A. И. В сб. Полупроводниковые приборы и их применение , под ред. Федотова Я. А., 1957, вып. 2, стр. 83. Изд-во Советское радио .

9. Paige Е. G. S. J. Phys. Chem. Solids, 1960, v. 16, p. 207.

10. Потрясай В. Ф., Рыжов А. С. Шумы транзисторов. В сб. Полупроводниковые приборы и их применение , под ред. Федотова Я. А., 1950, вып. 5, стр. 107. Иэд-во Советское радио .

11. Петров Л. А., Сытый Г. Ф. В сб. Полупроводниковые приборы и их применение , под ред. Федотова Я. А., 1957, вып. 2, стр. 161, Изд-во Советское радио .



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