Способ определения напряжения локализации тока в мощных вч и свч биполярных транзисторах

Способ определения напряжения локализации тока в мощных вч и свч биполярных транзисторах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов и может использоваться на входном и выходном контроле их качества.

Известно, что токораспределение в структурах мощных биполярных транзисторов в активном режиме работы при определенных значениях эмиттерного тока и коллекторного напряжения в результате действия механизмов положительной теплоэлектрической связи теряет устойчивость и весь ток стягивается в локальную область; в структуре прибора образуется так называемое «горячее пятно» - сильно перегретая локальная область (см. Синкевич В.Ф. Физические основы обеспечения надежности мощных биполярных и полевых транзисторов // Электронная промышленность. - 2003. - №2. - С. 232-244). Чаще всего образование «горячего пятна» приводит к необратимым изменениям (разрушениям) приборной структуры, проплавлению базы транзистора и отказу прибора. Линия параметров режима в координатах ток-напряжение, соответствующих локализации тока, определяет одну из границ области безопасной работы транзистора, выход за пределы которой даже на короткое время приводит либо к отказу, либо к ухудшению параметров прибора.

Наиболее близким к предлагаемому и выбранным за прототип способом определения напряжения локализации тока в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах без введения контролируемого транзистора в режим «горячего пятна» является способ по патенту 2537519 РФ (см. Патент 2537519 РФ, G01R 31/26, Способ определения напряжения локализации тока в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах / Сергеев В.Α., Дулов О.Α., Куликов А.А. - Опубл. 10.01.2015, бюл. №1), состоящий в том, что контролируемый транзистор включается по схеме с общей базой, задается постоянный эмиттерный ток, на коллектор контролируемого транзистора подается сумма линейно нарастающего напряжения, не превышающего предельно допустимое значение для данного типа транзисторов при за данном токе, и малого низкочастотного синусоидального напряжения, измеряют амплитуду , , переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора при трех значениях напряжения U_K0, U_K1, U_K2 на коллекторе контролируемого транзистора соответственно, и искомое напряжение локализации вычисляют по формуле

где , , .

Сущность известного способа состоит в том, что для измерения крутизны зависимости используется малый переменный сигнал, позволяющий повысить точность измерения указанной величины, а значение U_КЛ определяется по трем отсчетам зависимости при трех различных коллекторных напряжениях, существенно меньших U_КЛ (то есть, по существу, путем экстраполяции зависимости на основе модели, развитой авторами изобретения (см. Сергеев В.А., Дулов О.А., Куликов А.А. Контроль однородности токораспределения в биполярных транзисторах по зависимости коэффициента внутренней обратной связи от коллекторного напряжения // Известия вузов. Электроника. - 2009. - №2. - С. 10-16). Согласно этой модели для случая дефектов электрофизической природы, которые являются наиболее опасными с точки зрения устойчивости токораспределения в мощных биполярных транзисторах, зависимость переменной составляющей напряжения от коллекторного напряжения U_K описывается формулой:

где - амплитуда переменного напряжения на эмиттерном переходе при коллекторном напряжении U_К близком к нулю, U_КЛ - искомое напряжение локализации, b - безразмерный параметр, зависящий от величины дефекта в структуре транзистора, причем, как правило, b<<1. Вид зависимости приведен на фиг. 1. В качестве в известном способе предлагается принять значение переменной составляющей напряжения на эмиттере при U_К0<<U_КЛ, то есть на «плоском» участке характеристики.

Недостатком известного способа является большая погрешность определения напряжения локализации тока при малой крутизне зависимости . Действительно, относительная погрешность δ_Uкл значения U_КЛ, вычисленного по формуле (1), зависит от погрешности δ_а определения параметров a1 и а2:

Поэтому для более точного расчета U_КЛ необходимо уменьшать погрешность δ_а определения отношений a1 и а2 и выбирать такие значения U_К1 и U_К2, при которых заметно (в 1,5-2 раза) возрастает по сравнению с начальным значением . Для примера:

при

при

Так как заранее крутизна зависимости неизвестна, то при заданных значениях U_K1, U_K2 коллекторного напряжения значения a1 и а2 могут мало отличаться от единицы, и погрешность δ_Uкл будет достигать десятков и даже сотен процентов. Многократное повторение измерений требует времени для охлаждения прибора и опасно из-за повышения риска отказа прибора.

Технический результат - повышение точности определения напряжения локализации тока в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах при однократном измерении.

Технический результат достигается тем, что контролируемый транзистор включают по схеме с общей базой, задают постоянный эмиттерный ток, на коллектор контролируемого транзистора подают напряжение, представляющее собой сумму линейно нарастающего напряжения, не превышающего предельно допустимого значения для данного типа транзисторов при заданном токе, и малого синусоидального напряжения, при напряжении на коллекторе, близком к нулю, определяют начальную амплитуду переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора и затем определяют значения U_К1 и U_K2 напряжения на коллекторе контролируемого транзистора, при которых амплитуда переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора становится равной и соответственно, где k1 и k2 - заданные коэффициенты превышения начальной амплитуды , причем k2>k1, и напряжение локализации тока вычисляют по формуле:

где .

На фиг. 1 показана зависимость , характерная для мощных биполярных транзисторов с локализацией тока.

Сущность изобретения состоит в том, что, в отличие от прототипа в предлагаемом способе измеряется не амплитуда переменных составляющих напряжения на эмиттере контролируемого транзистора при заданных значениях напряжения на коллекторе, а напряжение на коллекторе при заданных отношениях амплитуды переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора (фиг. 1) к начальному значению этой амплитуды при напряжении на коллекторе, близком к нулю. Поскольку в предлагаемом способе заданы отношения значений амплитуды переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора, то относительная погрешность δ_Uкл определения напряжения локализации тока будет одинаковой для всех образцов контролируемых транзисторов и определяется значением коэффициента с и относительной погрешностью δ_u измерения напряжений U_К1 и U_K2:

На фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 3 приведены эпюры токов и напряжений, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство, реализующее способ, содержит колодку 1 для подключения контролируемого транзистора; устройство управления 2; источник тока 3; генератор линейно нарастающего напряжения 4; генератор низкой частоты 5; сумматор-усилитель мощности 6; разделительный конденсатор 7; устройство выделения огибающей 8; резистивный делитель 9, содержащий три резистора R1, R2 и R3; устройство выборки и хранения 10; два устройства сравнения 11 и 12; регистратор 13 и вычислитель 14. При этом выход устройства управления 2 соединен с запускающими входами источника тока 3, генератора линейно нарастающего напряжения 4, генератора низкой частоты 5 и устройства выборки и хранения 10, выход источника тока 3 соединен с клеммой для подключения эмиттера контролируемого транзистора, выходы генератора линейно нарастающего напряжения 4 и генератора низкой частоты 5 подключены к входам сумматора-усилителя мощности 6, выход которого соединен с клеммой для подключения коллектора контролируемого транзистора, вход устройства выделения огибающей 8 соединен через разделительный конденсатор 7 с клеммой для подключения эмиттера контролируемого транзистора, а выход устройства выделения огибающей 8 соединен с входом резистивного делителя 9 и входом устройства выборки и хранения 10, выход которого соединен с первыми входами устройств сравнения 11 и 12, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами резистивного делителя 9 соответственно, выходы устройств сравнения 11 и 12 соединены с запускающим входом регистратора 13, измерительный вход которого соединен с выходом генератора линейно нарастающего напряжения, а выход - с входом вычислителя 14.

Устройство работает следующим образом. Контролируемый транзистор вставляют в контактную колодку. По сигналу «Пуск» устройство управления 2 вырабатывает управляющий импульс U_УУ1 длительностью Т_ИЗМ (фиг. 3, а), который поступает на запускающие входы соответствующих устройств. В течение действия этого импульса источник тока 3 вырабатывает импульс постоянного тока (фиг. 3, б), поступающего в эмиттер контролируемого транзистора, а генератор линейно нарастающего напряжения 4 и генератор низкой частоты 5 вырабатывают напряжения U_КП(t) (фиг. 3, в) и (фиг 3, г) соответствующей формы, которые поступают на входы сумматора-усилителя мощности 6. С выхода сумматора-усилителя мощности 6 усиленное суммарное напряжение U_K(t) (фиг. 3, д) поступает на коллектор контролируемого транзистора. Переменная составляющая напряжения (фиг. 3, е) с эмиттера контролируемого транзистора через разделительный конденсатор 7 поступает на вход устройства выделения огибающей 8, с выхода которого напряжение огибающей переменной составляющей напряжения на эмиттере (кривая А на фиг. 3, з) поступает на вход резистивного делителя 9 и устройства выборки и хранения 10. По второму сигналу U_УУ2 устройства управления в момент времени t₀ (фиг. 3, ж) устройство выборки и хранения 10 фиксирует (запоминает и хранит) значение амплитуды переменной составляющей напряжения на эмиттерном переходе контролируемого транзистора при напряжении на коллекторе, близком к нулю (фиг. 3, з). Напряжение с выхода устройства выборки и хранения 10 поступает на первые входы устройств сравнения 11 и 12, на вторые входы устройств сравнения поступают сигналы с первого (кривая В на фиг. 3, з) и второго (кривая С на фиг. 3, з) выходов резистивного делителя 9. Значения сопротивлений резисторов R1, R2 и R3 выбираются так, чтобы коэффициент деления напряжения на первом выходе резистивного делителя был равен (1+k1), а на выходе второго - (1+k2), где k1 и k2 - заданные коэффициенты превышения начальной амплитуды , например, k1=0,1 и k1=0,4. В моменты времени t₁ и t₂, когда напряжения на выходах резистивного делителя будут равны начальному значению , то есть когда будут выполняться условия и , устройства сравнения 11 и 12 вырабатывают короткие импульсы (фиг. 3, и), по сигналам которых регистратор 13 измеряет значения напряжения U_K1 и U_К2 на выходе генератора линейно нарастающего напряжения и передает их в вычислитель 14, который и вычисляет искомое напряжение локализации по формуле (5).

Если крутизна зависимости будет такой малой, что за время действия линейно нарастающего коллекторного напряжения переменная составляющая напряжения на эмиттере не превысит или , или , то значение напряжения U_КЛ локализации будет не определенным, и вычислитель выдаст условное значение U_КЛ, например, ∞. В этом случае измерения можно провести повторное измерение при других, более низких значениях коэффициентов деления (1+k1), (1+k2). Для этого в предложенном варианте устройства можно предусмотреть несколько резистивных делителей с разными коэффициентами деления.

Способ определения напряжения локализации тока в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах, состоящий в том, что контролируемый транзистор включают по схеме с общей базой, задают постоянный эмиттерный ток, на коллектор контролируемого транзистора подают напряжение, представляющее собой сумму линейно нарастающего напряжения, не превышающего предельно допустимое значение для данного типа транзисторов при заданном токе, и малого синусоидального напряжения, отличающийся тем, что при напряжении на коллекторе, близком к нулю, определяют начальную амплитуду переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора, затем определяют значения U_K1 и U_K2 напряжения на коллекторе контролируемого транзистора, при которых амплитуда переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора становится равной и соответственно, где k1 и k2 - заданные коэффициенты превышения начальной амплитуды , причем k2>k1, и искомое напряжение локализации тока вычисляют по формуле

,

где .