Долгое время считалось, что транзисторы не могут заменить лампы из-за низкого предельного напряжения, в котором они могут работать. Однако это не так, уже в 1969 году был серийно выпущен переносной телевизор «ВЛ-100», работающий на транзисторах. В 70-годы уже промышленно изготавливались мощные и маломощные транзисторы с максимальным напряжением коллектора в 1000 и более вольт. Но является максимальное напряжение, указанное в характеристиках к транзистору, предельным для устройства? Ведь если ограничить ток через его переход, то полупроводник сохраняет свою работоспособность, но уже в другом режиме — так называемом лавинном.
Свойства лавинного пробоя
При значительном увеличении напряжённости электрического поля, неосновные носители заряда, движущиеся от тепла, выбивают из атомов валентные электроды, которые высоким потенциалом переносятся в зону проводимости. Там они создают пару с «дыркой», которая способствует хорошей проводимости. Так называемая ударная ионизация атомов содействует ещё большему образованию таких пар. Данный процесс приобретает лавинный характер.
Внимание: Лавинный процесс может наступить при работе любого транзистора, если напряжение на его переходах превысит (даже кратковременно) определённое для данного экземпляра полупроводникового прибора значение.
Если ток в цепи p-n-перехода не ограничить, то лавинообразное падение сопротивления в последнем вызовет такое же по характеру увеличение тока. В этом случае наступает тепловой пробой, если рассеиваемая мощность на полупроводнике превосходит установленное значение и не осуществляется достаточный теплоотвод. Лавинообразное увеличение температуры разрушит p-n-переход.
Но, если падение мощности на полупроводнике ограничить, то можно наблюдать интересные свойства транзистора в таком режиме.
В обычном режиме транзистору требуется время на восстановление p-n-перехода, обусловленное инерцией основных носителей заряда. Также ёмкость перехода оказывает своё воздействие на характер тока, как, впрочем, и смещение, которое также искажает форму сигнала. Особенно это ощутимо в усилителях постоянного тока и широкополосных усилителях. Полупроводник, работающий в режиме лавинного пробоя лишён подобных недостатков. Поэтому такое состояние германиевых или кремниевых транзисторов использовали в схемах предварительного усиления сигнала для осциллографов.
Также для реализации генератора коротких импульсов иногда используют транзистор в режиме лавинного пробоя. Достоинство такого типа построения каскада ещё и в том, что не требуется отдельной схемы для его включения. При относительно низком напряжении каскад абсолютно неработоспособен, и только при подаче большего напряжения питания – входит в описываемый режим. Применяются такие схемы для построения различного рода эхолотов, узлов и драйверов точных измерительных приборов и т.д.
Вторичный лавинный пробой
Не все транзисторы способны одинаково хорошо работать в режиме лавинного пробоя. Есть специально разработанные полупроводниковые приборы, которые рассчитаны для таких целей. Связано это с так называемым вторичным пробоем, который может проявиться в некоторых экземплярах транзисторов и эффект которого чаще всего разрушителен.
Суть его в том, что в отдельной области p-n-перехода в режиме лавинного пробоя, может возникнуть экспоненциальный рост тока, ведущий к локальному перегреву и образованию узкого канала с предельно низким сопротивлением. Он наступает мгновенно, так что тепло не успевает отводиться, и ведёт, обычно, к прожогу канала в полупроводнике.
Перспективы использования транзисторов в режиме лавинного пробоя
Сразу хочется отметить, что шансы популярности использования транзисторов в режиме лавинного пробоя маловероятны. Хотя первые разработчики «пророчествовали» таком режиму большое будущее. Связано это с его недостатками, которые стали существенными, а вот аналоги, которые могут заменить его функции, наоборот – свели свои минусы к минимуму. Самым большим неудобством является необходимость высокого напряжения для питания каскада на транзисторе, находящемся в режиме лавинного пробоя. Это приводит к уменьшению безопасности и надёжности реализованного узла.
Зато аналоги на низковольтных малопотребляющих скоростных интегральных компонентах могут решить практически любую электронную задачу, в том числе импульсного или усилительного характера. Впрочем, если учесть, что лавинный процесс в полупроводниковых переходах может наблюдаться с 5 В, то возможно создание интегральных компонентов, каскады которых могут работать в описываемом режиме. Однако эта тема уже касается больше разработчиков, чем радиолюбителей. Хотя первые, чаще всего, повторяют то, что когда-то открыли последние.