СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ТОКА В МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Российский патент 2015 года по МПК G01R31/26 

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

Известно, что токораспределение в структурах мощных ВЧ и СВЧ 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) полупроводниковой 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.

В известном способе измерения напряжения локализации (см. Кернер Б.С., Рубаха Е.А., Синкевич В.Ф. Способ отбраковки мощных транзисторов // А.с. СССР №619877 G01R 31/26 - Бюллетень изобретений. - 1978. - №30; Квурт Я.А., Миндлин Н.Л. Диагностический неразрушающий контроль мощных микросхем // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. - 1980. - Вып.4. - С.74-79) транзистор включают по схеме с общей базой, задают постоянный эмиттерный ток, на коллектор подают линейно нарастающее коллекторное напряжение U_К, напряжение на эмиттерном переходе U_ЭБ подают на вход осциллографа и в момент появления излома или скачка на наблюдаемой зависимости U_ЭБ(t) регистрируют коллекторное напряжение, которое и является искомым напряжением U_КЛ локализации тока при заданной величине эмиттерного тока. Известный способ основан на использовании эффекта резкого изменения крутизны зависимости напряжения на эмиттерном переходе при постоянном эмиттерном токе от коллекторного напряжения U_ЭБ(U_К). Одним недостатком известного способа является большая погрешность регистрации момента наступления локализации с помощью осциллографа, поскольку величина скачка (или излома) у многих образцов транзисторов сравнима по величине с предельной чувствительностью осциллографа. Другим, более важным недостатком известного способа является то, что контролируемый прибор подвергается опасному разрушающему воздействию, поскольку попадает в режим «горячего пятна».

Известен способ, реализованный в устройстве по АС СССР №983596 (см. Сергеев В.А., Широков А.А., Дулов О.А. Устройство для отбраковки мощных транзисторов / А.с. СССР №983596 МКИ G01R 31/26 - Бюллетень изобретений - 1982. - №47) и позволяющий повысить точность регистрации момента наступления локализации тока и таким образом повысить точность измерения напряжения локализации тока. В этом способе контролируемый транзистор также включают по схеме с общей базой, с помощью источника тока задают постоянный эмиттерный ток, на коллектор подают линейно нарастающее коллекторное напряжение, напряжение на эмиттерном переходе усиливают и подают на дифференцирующую цепь и с помощью цифрового вольтметра с внешним запуском регистрируют напряжение на коллекторе контролируемого транзистора в момент появления импульса на выходе дифференцирующей цепи. Недостатком этого способа также является попадание контролируемого прибора на некоторое время в режим «горячего пятна».

Технический результат - исключение опасных запредельных воздействий на контролируемый прибор и определение напряжения локализации тока без введения контролируемого транзистора в режим «горячего пятна».

Технический результат достигается тем, 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 допустимого значения для данного типа транзисторов при заданном токе, и малого низкочастотного синусоидального напряжения, измеряют амплитуду $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К0}\right)$$ , $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К1}\right)$$ , $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К2}\right)$$ переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора при трех значениях напряжения U_К0, U_К1, U_К2 на коллекторе контролируемого транзистора соответственно и искомое напряжение локализации вычисляют по формуле

$$U_{КЛ}=\frac{U_{К2}-m{U}_{К1}}{1-m},\left(1\right)$$

где , , .

Сущность изобретения состоит в том, что для измерения крутизны зависимости U_ЭБ(U_К) используется малый переменный сигнал, позволяющий повысить точность измерения указанной величины, а значение U_КЛ определяется по трем отсчетам зависимости $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{КБ}\right)$$ при трех различных коллекторных напряжениях, существенно меньших U_КЛ (то есть, по существу, путем экстраполяции зависимости $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К}\right))$$ , 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, зависимость переменной составляющей напряжения $${\tilde{U}}_{ЭБ}$$ от коллекторного напряжения U_K описывается формулой:

$${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К}\right)={\tilde{U}}_{ЭБ}\left(0\right)\left[1+\frac{b}{{(1-U_K/U_{КЛ})}^2}\right],\left(1\right)$$

где $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(0\right)$$ - амплитуда переменного напряжения на эмиттерном переходе при коллекторном напряжении U_K, 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 $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{к}\right)$$ приведен на фиг.1. Практически в качестве $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(0\right)$$ можно принять значение переменной составляющей напряжения на эмиттерном переходе при U_K0<<U_КЛ на «плоском» участке характеристики. Относительную погрешность такого приближения можно оценить по формуле δ_U0≈2bU_К0/U_КЛ. Для дальнейших расчетов в качестве приближения к $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(0\right)$$ будем брать значение $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(5В\right)$$ при U_K0=5В.

Если по зависимости $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К}\right)$$ определить значения $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К1}\right)$$ и $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К2}\right)$$ при двух коллекторных напряжениях U_К1 и U_K2 (U_K1<U_K2) и по этим значениям вычислить отношения и , то в принятом приближении $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(0\right)={\tilde{U}}_{ЭБ}\left(5B\right)$$ согласно (1) можем записать два уравнения для двух неизвестных b и U_КЛ:

$$a2\approx 1+\frac{b}{{(1-U_{K2}/U_{КЛ})}^2}.\left(2б\right)$$

Для исключения неизвестного параметра b из уравнений (2а) и (2б) перенесем единицу из правой части этих уравнений в левую и, разделив одно уравнение на другое, получим:

После несложных преобразований из (3) получим выражение для расчета U_КЛ:

$$U_{КЛ}=\frac{U_{K2}-m{U}_{K1}}{1-m},\left(4\right)$$

где

Схема устройства, реализующего предложенный способ, приведена на фиг.2. Эпюры токов и напряжений, поясняющие работу устройства, приведены на фиг.3. Устройство содержит контактную колодку 1 с клеммами для подключения контролируемого транзистора, устройство управления 2, источник тока 3, генератор линейно нарастающего напряжения 4, генератор синусоидального напряжения 5, сумматор-усилитель мощности 6, регистратор 7 и разделительный конденсатор 8, при этом выход устройства управления соединен с запускающими входами источника тока 3, генератора линейно нарастающего напряжения 4, генератора синусоидального напряжения 5 и регистратора 7, выход источника тока соединен с клеммой для подключения эмиттера контролируемого транзистора, выходы генераторов линейно нарастающего напряжения 4 и генератора синусоидального напряжения 5 подключены ко входам сумматора-усилителя мощности 6, выход которого в свою очередь соединен с клеммой для подключения коллектора контролируемого транзистора, вход регистратора 7 соединен через разделительный конденсатор 8 с клеммой для подключения эмиттера контролируемого транзистора, а выход регистратора 7 соединен со входом вычислителя 9, клемма для подключения базы контролируемого транзистора соединена с общей шиной устройства.

Устройство работает следующим образом. Контролируемый транзистор вставляют в контактную колодку. По сигналу «Запуск» устройство управления 2 вырабатывает управляющий импульс длительностью T_ИЗМ, который поступает на запускающие входы соответствующих устройств. В течение действия импульса управления источник тока 3 вырабатывает импульс постоянного тока (фиг.3а), поступающего в эмиттер контролируемого транзистора. По сигналу управляющего импульса генератор линейно нарастающего напряжения 4 вырабатывает наряжение , изменяющееся по линейному закону (фиг.3б) с максимальным значением UKM, которое поступает на один из входов сумматора-усилителя мощности 6, а генератор синусоидального напряжения 5, соответственно, начинает вырабатывать переменное низкочастотное напряжение (фиг.3в), которое поступает на второй вход сумматора-усилителя мощности 6. С выхода сумматора-усилителя мощности 6 усиленное суммарное напряжение (рис.3г) поступает на коллектор контролируемого напряжения. Переменное напряжение с эмиттера контролируемого транзистора через разделительный конденсатор 8 поступает на вход регистратора 7, который по сигналу устройства управления 2 регистрирует (запоминает) три значения $${\tilde{U}}_{ЭБ0}\left(U_{К0}\right)$$ , $${\tilde{U}}_{ЭБ1}\left(U_{К1}\right)$$ , $${\tilde{U}}_{ЭБ2}\left(U_{К2}\right)$$ амплитуды переменной составляющей напряжения на эмиттерном переходе контролируемого транзистора (рис.3д) при трех значениях коллекторного напряжения U_K0, U_K1, U_K2 и передает эти значения в вычислитель 9, который вычисляет искомое значение напряжения локализации тока по формуле (1).

Для упрощения алгоритма работы устройства целесообразно для всех образцов исследуемых транзисторов выбрать одинаковые значения U_K0, U_K1 и U_K2, например U_К0=5В, U_K1=0,5U_КМ и U_K2=0,75U_КМ. Однако относительная погрешность δ_Uкл значения U_КЛ, вычисленного по формуле (1), зависит от погрешности δ_а определения параметров a1 и а2, точнее, от того насколько сильно a1 и а2 отличаются от 1. Эту погрешность можно оценить по приближенной формуле:

Поэтому для более точного расчета U_КЛ необходимо уменьшать погрешность δ_а определения отношений a1 и а2 и желательно выбирать такие значения U_K1 и U_K2, при которых $${\tilde{U}}_{ЭБ}$$ заметно (в 1,5-2 раза) возрастает по сравнению с начальным значением $${\tilde{U}}_{ЭБ0}\left(U_{К0}\right)$$ . Для примера:

Возможно, что у каких-то транзисторов амплитуда переменного напряжения на эмиттерном переходе практически не будет зависеть от коллекторного напряжения в выбранном диапазоне коллекторного напряжения U_KM, параметры a1 и a2 будут аппаратно неразличимы и близки к единице a1≈а2≈1. В этом случае при вычислении U_КЛ будет возникать неопределенность и по результатам этих измерений значение U_КЛ будет стремиться к бесконечности. Для определения реального значения U_КЛ у этих образцов измерения необходимо производить при более высоких значениях U_КМ.

Измерения амплитуды переменного напряжения на эмиттерном переходе контролируемого транзистора $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К}\right)$$ можно провести с использованием современных плат сбора данных, и погрешность будет составлять не более 1-2%, тогда погрешность определения напряжения локализации тока не будет превышать 5-7%, что вполне приемлемо для целей производственного контроля.

Заметим, что зависимость (1) получена при условии, что температура кристалла контролируемого транзистора успевает «отслеживать» изменение малого переменного коллекторного напряжения. Для этого период T_M переменного напряжения на коллекторе должен в 3-5 раз превышать тепловую постоянную времени кристалла, которая у большинства мощных биполярных транзисторов не превышает 1 мс. Для получения приемлемой точности измерения амплитуды $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К}\right)$$ длительность T_изм импульса линейно нарастающего коллекторного напряжения должна составлять не менее 100T_М. При выборе частоты малого переменного сигнала на коллекторе, равной 100 Гц, длительность T_изм равна 1 с. Следует заметить, что у мощных транзисторов температура корпуса за это время не успевает заметно измениться, и, таким образом, специальные меры по теплоотводу не требуются.

Повысить точность измерения можно и многократным повторением цикла измерения, при этом для обеспечения идентичности теплового режима при повторных измерениях скважность импульсов линейно нарастающего напряжения должна быть достаточно большой (больше 10), чтобы корпус транзистора успевал остыть за время паузы между импульсами.

Предлагаемый способ апробирован на выборках нескольких типов мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов (КТ903А, КТ904А, КТ912). Результаты измерений U_КЛ предлагаемым способом отличались от значений U_КЛ, измеренных другими известными способами, не более чем на 10%.

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров мощных биполярных транзисторов и может использоваться на входном и выходном контроле их качества. Способ основан на использовании известного эффекта резкого изменения крутизны зависимости напряжения на эмиттерном переходе при постоянном эмиттерном токе от коллекторного напряжения U_ЭБ(U_K). Контролируемый транзистор включается по схеме с общей базой, задается постоянный эмиттерный ток, на коллектор контролируемого транзистора подается сумма линейно нарастающего напряжения, не превышающего предельно допустимого значения для данного типа транзисторов при заданном токе, и низкочастотного синусоидального напряжения с малой амплитудой, измеряют амплитуду $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К0}\right)$$ , $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К1}\right)$$ , $${\tilde{U}}_{ЭБ}\left(U_{К2}\right)$$ переменной составляющей напряжения на эмиттере контролируемого транзистора при трех значениях напряжения U_K0, U_КЛ1, U_К2 на коллекторе контролируемого транзистора соответственно и искомое напряжение локализации вычисляют по формуле $$U_{КЛ}=\frac{U_{К2}-m{U}_{К1}}{1-m},$$ где , , . При этом для измерения крутизны зависимости U_ЭБ(U_K) используется малый переменный сигнал, позволяющий повысить точность измерения крутизны указанной зависимости. Технический результат заключается в исключении опасных запредельных воздействий на контролируемый прибор и определении напряжения локализации тока мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов без введения контролируемого транзистора в режим «горячего пятна». 3 ил.

Способ определения напряжения локализации тока в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах, 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 допустимого значения для данного типа транзисторов при заданном токе, и низкочастотного синусоидального напряжения с малой амплитудой, 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 , , .