Лавинный режим работы биполярных транзисторов, также известный как лавинная генерация, представляет собой особый режим, при котором в переходе транзистора происходит лавинный пробой. Это явление сопровождается значительным увеличением тока и генерацией носителей заряда. Последнее обстоятельство крайне важно для понимания данного эффекта, так как позволяет предположить наличие в нём дополнительной, или свободной энергии.

В этой работе мы исследуем некоторые типы биполярных транзисторов на предмет их работы в лавинном режиме, рассчитаем их КПД при работе в специальной схеме, и даже получим сверхединичные результаты для нескольких видов транзисторов. Но сначала напомним некоторые особенности этого эффекта.

Лавинный режим возникает, когда обратное напряжение на коллекторном (или эмиттерном) переходе достигает критического уровня, при котором электроны, ускоряясь в электрическом поле, приобретают достаточную энергию, чтобы выбивать новые электроны из кристаллической решётки. Этот процесс самоподдерживается, вызывая лавинообразное нарастание тока [1-2].

Основные характеристики лавинного режима:

• Высокое обратное напряжение на коллектор-эмиттер или коллектор-база;
• Лавинообразное размножение носителей заряда внутри полупроводника;
• Резкое увеличение тока, который ограничивается только сопротивлением внешней цепи;
• Возможный переход в лавинно-инжекционный режим, при котором транзистор работает как лавинный диод с усилением.

Отличие от вторичного пробоя
Лавинный пробой отличается от теплового пробоя (вторичного пробоя). В лавинном режиме проводимость определяется физическими процессами в полупроводнике, а не локальным перегревом, что делает его частично управляемым, если ограничить ток.

Лавинный пробой, который осуществляется по стандартной схеме, может работать нестабильно. Его запуск и установившийся режим во многом зависят от параметров элементов, входящих в состав схемы. То есть, если взять транзистор из той же марки, но другой партии, то лавинный режим может не запуститься. В такой схемотехнике все элементы, как правило, нуждаются в тщательном подборе.

В наших последующих экспериментах мы будем использовать в качестве базового транзистора — КТ315А. Этот транзистор был самым распространённым и востребованным в СССР. Он обладал рядом превосходных характеристик, которые практически делали его незаменимым [3]. Его полный аналог — BFP719. Более современная версия этого транзистора, выполненная в корпусе TO-92, — КТ315А1-Р1 [4]. Его аналогами являются марки 2SС544 и 2SС546.

Схема включения транзистора в лавинном режиме, ставшая уже классической, показана на рисунке 1a. Главным её минусом является сложность подбора транзистора для корректной работы в таком режиме. Из партии в 100 штук можно найти лишь несколько пригодных для использования. Более стабильные и менее требовательные схемы представлены на рисунках 1b и 1c. Кроме дополнительного сопротивления в базе VT1, в них добавляется накопительный конденсатор C2, либо пара C2-C3, которая, кроме всего прочего, подталкивает этот транзистор к самовозбуждению. Новая схемотехника позволяет применить различные типы транзисторов для наших исследований.

Принцип работы таких схем заключается в накоплении на конденсаторе C2 напряжения, достаточного для пробоя VT1, при этом создавая в зоне этого полупроводника напряженность поля порядка 10⁸ В/м. Если C2 отсутствует, то накопление заряда происходит в диффузной ёмкости самого транзистора. Но что ещё более значимо для наших исследований — это образование в полупроводнике дополнительных электронно-дырочных пар в ходе этого процесса.

Подстроечным резистором R1 находится рабочая точка, а также регулируется частота повторений импульсов. На эту частоту, также, влияет и ёмкость C2. Конденсатор C1 служит для сглаживания питающего напряжения Up во время импульса. Его рекомендуется устанавливать как можно ближе к лавинной схеме. Схема питания представлена на рисунке 1d, где питающее напряжение берётся от трансформатора ЛАТР (VVT) после его выпрямления диодом D1. Рекомендуется выбирать ЛАТР, рассчитанный на действующее напряжение во вторичной цепи 300 В, поскольку стандартное значение обычно составляет 250 В.

На следующих осциллограммах приведены графики работы при разных схемотехнических решениях. Щуп осциллографа при этом подсоединяется между выходом схемы OS1 и общим проводом. Осциллограмма на фото 2 отражает работу транзистора КТ315А по схеме 1a, а осциллограмма на фото 3 — работу этого транзистора в улучшенной схеме 1b. Интересно, что импульс в обоих режимах работы не превышает 5 нс по своей длительности, однако во втором случае к нему добавляется «хвост», заухающий пропорционально произведению ёмкости C2 и сопротивления R3. Время его затухания находится так: \[ \tau \approx 0.7\cdot C_2 R_3 \tag{1}\] Фронт этих импульсов — не более 2 нс.

Из представленных выше осциллограмм хорошо заметно, что благодаря добавлению конденсатора C2, амлитуда импульса увеличивается примерно в 10 раз, сам импульс почти не изменяется по форме, но к нему добавляется «хвост», образующий цепь разрядки C2 через сопротивление R3.

Если теперь измерять параметры импульса и энергетические затраты на его создание, то можно найти КПД схемы лавинного режима работы различных транзисторов. Здесь нужно учитывать один момент: при зарядке конденсатора половина энергии рассеивается на суммарном сопротивлении источника питания + R1 + R2 + сопротивление открытого канала транзистора VT1 [5]. Таким образом, общий КПД, учитывающий энергию рассеивания, будет удвоенным, что мы и отразим в следующей таблице. Но сначала уточним некоторые её параметры.

Up — максимальная амплитуда напряжения питания схемы. Обычно, при такой амплитуде транзистор входит в лавинный режим.

Urms — среднеквадратичное (действующее) значение напряжения в импульсе на резисторе R3, которое замерялось при развёртке 500 наносекунд на деление, и практически не зависело от питающего напряжения (начиная с некоего минимального значения). Оказалось, что свойство исключительно самого транзистора и ёмкости C2 (либо C2+C3). Чем меньше Urms, тем меньше схема потребляла от источника питания Up, и, как правило, тем выше была частота импульсов. Но эти параметры не влияли на КПД, поэтому в таблице 1 не приводятся.

h₂₁ — коэффициент усиления транзистора по току [6]. Здесь мы берём некторое среднее значение от нескольких испытуемых экземпляров.

η/2 — КПД работы транзистора в лавинном режиме.

η — КПД работы всей схемы, с учётом рассеивания энергии на внутренних сопротивлениях схемы.

Автору практически случайно попался один экземпляр транзистора КТ315Б, который выдал хоть и скромные, но всё же сверхединичные параметры. Они отражены в последней строке таблицы 1. Эти данные многократно перепроверялись и их можно считать подтверждёнными. Иными словами, из ста транзисторов, входящих в партию, только один может обладать такими характеристиками, и даже этот один сможет продемонстрировать их только при условии правильной настройки режима работы.

Ниже приводятся осциллограммы некоторых измерений, проводимых по схеме 1b, при различных развёртках прибора и для разных транзисторов. Синий луч отражает амплитуду питающено напряжения (Up), а желтый луч показывает сам импульс.

Здесь нужно обратить особое внимание на амплитуду импульса, которая превышает амплитуду питающего напряжения, хотя никаких индуктивностей, которые могли бы этому способствовать, в схеме нет. Это хорошо видно на рисунках 4, 6, 8. Автором замечено, что чем лучше работает транзистор в лавинном режиме, тем больше это превышение по амплитуде. На рисунках 5, 7, 9 эти импульсы видны на фоне питающего напряжения.

Стенд для исследований можно сделать своими руками из макетной платы. Единственная рекомендация — располагать все элементы как можно ближе друг к другу. Лучше сделать стенд на разъёмах, чтобы его элементы можно было легко менять.

Все сопротивления нужно рассчитывать на мощность минимум 0.5 Вт. Особенно это касается R3, на котором рассеивается большая импульсная мощность. На стенде резистор Rb можно сделать подстроечным.

Ёмкости должны применяться на напряжение не менее чем на 500 В, и они могут быть любыми, кроме керамических.

1) Превышение амплитуды импульса над амплитудой питающего напряжения говорит о добавочном заряде, появляющимся в лавинном режиме, при генерации носителей заряда. Отсюда следует потенциальная возможность применять этот режим для сверединичных устройств, что подтверждается экспериментом с транзистором КТ315Б. Однако на данный момент и сами эти транзисторы, и схемы на их основе обладают довольно низким КПД, а излишек энергии рассеивается в виде тепла на активных сопротивлениях схемы.

2) КПД лавиной схемы можно приблизительно рассчитать. Для развёртки в 500 нс на клетку, примерная формула расчёта общего КПД схемы выглядит так: \[ \eta \approx 6.5 {U_{rms} \over U_p} \tag{2}\] При этом предполагается, что импульс полностью помещается на экране осциллографа. Из формулы следует, что очень важно получить как можно большее действующее напряжение (Urms) на нагрузочном резисторе R3 в сравнении с питающим напряжением (Up). Очевидно, что такая формула показывает среднее значение для большой выборки транзисторов. Например, из неё выпали единичные экземпляры КТ315Е и КТ315Б в наших экспериментах.

3) Urms, в свою очередь, не зависит от питающего напряжения, начиная с некоего минимального значения. Это свойство исключительно самого транзистора и накопительной ёмкости C2, если такая применяется.

4) Теория о том, что коэффициент усиления транзистора по току (h₂₁) влияет на его способность работать в лавинном режиме и на эффективность его работы в этом режиме, не находит подтверждения.