新型雙E晶體管自行振蕩器的研究

穆 克， 李鳳銀， 周大東

（1.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.朝陽伏特電子研究所，遼寧朝陽122000；3.錦州環(huán)境工程技術(shù)公司，遼寧錦州121001）

脈沖電路是電壓或電流的突變技術(shù)，由于其抗干擾能力強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，控制性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在國(guó)防、科研及工業(yè)控制等領(lǐng)域。常用電子脈沖振蕩器一般由晶體管或單結(jié)管與外圍器件構(gòu)成。如LC電感三點(diǎn)式振蕩器、RC電容三點(diǎn)式振蕩器、文氏橋振蕩器和RC振蕩器等。上述電路存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件多、不易制作、輸出波形前后沿也不易陡直等缺點(diǎn)。為此，提出設(shè)計(jì)一個(gè)兩端半導(dǎo)體器件，它像石英晶體那樣，只要給其施加一個(gè)合適的直流電壓就可以自行產(chǎn)生脈沖振蕩。

1 自行脈沖振蕩電路的模擬實(shí)驗(yàn)

在大量模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不加任何儲(chǔ)能用的電感、電容等元件反饋和自激，特意采取將換能元件與振蕩反饋回路融為一體的設(shè)計(jì)方案［1］，采用兩只同極性（NPN或PNP型）的晶體管［2］，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，給電路以適當(dāng)?shù)闹绷鞴ぷ麟妷?，使其工作在高度非線性的負(fù)阻區(qū)就可產(chǎn)生三角形的脈沖振蕩波形，其電路設(shè)計(jì)圖與輸出脈沖波形圖如圖1所示。

Fig.1 No LC pulse oscillation circuit and the output oscillation waveform圖1 無儲(chǔ)能元件脈沖振蕩電路圖及輸出振蕩波形

圖1（a）電路中元器件的選擇：T1和T2管均選NPN型晶體管，其放大倍數(shù)β為80～100；Rbb在兩個(gè)管的基區(qū)串聯(lián)等效電阻；Rc為負(fù)載兼隔離電阻。還必須要求兩個(gè)管均具有反向放大作用，其倍數(shù)為2～10倍即可。

因本電路是脈沖振蕩電路，其輸出是不連續(xù)的突變波形，故將T1管工作在高度非線性可逆的雪崩負(fù)阻狀態(tài)。由圖1（a）的電路中總電流Ic可用下式表示：

若T1管的直流工作電壓Uc小于T1的BVE1B1O時(shí)，則處于截止?fàn)顟B(tài)，只有很小的電流，所以Ibb?Icc。

若T1管的工作電壓Uc等于BVE1B1O時(shí)，發(fā)生雪崩擊穿，Ibb?Icc，則動(dòng)態(tài)電阻r等于零。即

當(dāng)T1管工作電壓Uc大于T1管的BVE1B1O時(shí)，而T2管正處于放大狀態(tài)，將有大量電子注入到T1管已展寬的發(fā)射結(jié)空間電荷層，發(fā)生碰撞產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)使其空間電荷層立刻變薄，結(jié)電阻減小，于是產(chǎn)生了雪崩負(fù)阻效應(yīng)，其動(dòng)態(tài)電阻r小于零。即

通過負(fù)載電阻就可測(cè)試脈沖振蕩輸出波形。

2 脈沖振蕩管結(jié)構(gòu)及其振蕩電路

在分立器件所組成的脈沖振蕩電路的模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)成由一個(gè)橫向晶體管和兩個(gè)縱向晶體管而集成的“復(fù)合晶體管”［3］。這種復(fù)合型結(jié)構(gòu)中兩個(gè)縱向管具有公共的基區(qū)和集電區(qū)，但均不做電極引線，只將兩個(gè)發(fā)射區(qū)做出發(fā)射極引線E1和E2。其結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)如圖2所示。

Fig.2 The structure and symbol of pulse oscillation transistor圖2 脈沖振蕩管結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)

在硅N＋＋型襯底的外延片上，采用氧化、光刻、擴(kuò)散、蒸發(fā)等工藝方法，先擴(kuò)硼形成基區(qū)，然后光刻出兩個(gè)發(fā)射區(qū)窗孔，再擴(kuò)磷形成兩個(gè)發(fā)射區(qū)，再光刻出引線孔，最后再蒸鋁、反刻、合金、壓焊引出兩個(gè)發(fā)射極E1和E2。

3 脈沖振蕩管及自行振蕩電路機(jī)理分析

將兩端振蕩管的發(fā)射極，通過負(fù)載電阻Rc，給其施一個(gè)適當(dāng)直流工作電源電壓，無須外加LC元件，就可自行產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的持續(xù)周期振蕩波形，如圖3所示。

Fig.3 Self－oscillating transistor oscillator circuit and output waveform圖3 振蕩管自行振蕩電路和輸出波形

自行振蕩電路的輸出參數(shù)如下：

脈沖幅度V0＝1～5V

脈沖寬度τ＝30～40ns

脈沖上升時(shí)間tr＝1～8ns

脈沖周期T＝0.5～1μs

其電路參數(shù)Ec和Rc及其器件的串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容Cj等因素對(duì)振蕩參數(shù)V0，τ，tr，T等均有影響。若將振蕩管的兩個(gè)發(fā)射結(jié)面積進(jìn)一步減小，縮小基區(qū)間距，提高發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度等工藝措施，則有可能將脈沖振蕩頻率由現(xiàn)在的1MHz提高100 MHz以上，甚至更高。

采用圖示儀對(duì)圖1（a）電路和圖3（a）器件進(jìn)行靜態(tài)伏安特性曲線測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其均具有雙向雪崩負(fù)阻特性，如圖4所示。由圖1和圖3可知，當(dāng)直流工作電源電壓較小時(shí)，有很小的漏電流Ibb，當(dāng)電源電壓逐漸增加時(shí)，T1管的發(fā)射結(jié)空間電荷層自動(dòng)展寬，當(dāng)工作電壓超過發(fā)射結(jié)E1的BVE1B1O時(shí)，則發(fā)生雪崩擊穿，此時(shí)T2管處于正向放大作用，又因T1管具有反相放大功能，故將有大量電子注入到T1管的基區(qū)，由于電子撞擊作用產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，而電子很快被正向電源電壓抽取走，剩下的空穴迅速填充已展寬的空間電荷層負(fù)離子層，則空間電荷層立刻變薄，結(jié)電阻減小，進(jìn)而產(chǎn)生了雪崩負(fù)阻效應(yīng)，如圖4所示。

Fig.4 VA characteristic curve and the output pulse oscillation waveform圖4伏安特性曲線及輸出脈沖振蕩波形圖

在圖4中，Vs為轉(zhuǎn)折電壓，Is為轉(zhuǎn)折電流，VF為導(dǎo)通電壓，IF為導(dǎo)通電流，IH為維持電流。若產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)時(shí)，則有較大導(dǎo)通電流IF輸出。當(dāng)電壓降等于VF時(shí)，IF減小到IH，瞬間負(fù)阻消失，然后回到高電位Vs，又立刻產(chǎn)生負(fù)阻。根據(jù)雪崩負(fù)阻特性，將電路工作點(diǎn)設(shè)在由轉(zhuǎn)折點(diǎn)A至維持電流IH與負(fù)載線的交點(diǎn)B之上，由于串聯(lián)電阻Rs，結(jié)電容Cj的存在，導(dǎo)通電流通過Rs，Cj充放電，當(dāng)有一定電流損耗衰減后，就立刻回到高電位轉(zhuǎn)折點(diǎn)A，一回到A點(diǎn)就立刻產(chǎn)生雪崩負(fù)阻效應(yīng)，于是又立刻迅速回到低電位B點(diǎn)，進(jìn)而輸出電流又獲得一次能量補(bǔ)充，就這樣靠其內(nèi)反饋［4］，工作點(diǎn)時(shí)而在A點(diǎn)，時(shí)而在B點(diǎn)，于是周而復(fù)始地穩(wěn)定可靠地作周期振蕩。

脈沖振蕩管的振蕩過程很復(fù)雜，基本上是偏置在負(fù)阻區(qū)，其動(dòng)態(tài)等效電路如圖5所示［5］。其中Rj是結(jié)動(dòng)態(tài)電阻，其值為負(fù)；Cj為PN結(jié)電容，二者是并聯(lián)組成的。Rs為引線和芯片的體電阻、擴(kuò)散電阻、歐姆接觸電阻等串聯(lián)電阻。Ls為引線與管殼電感。由于Rs，Ls和Cj的存在，影響器件的固有諧振頻率，即f＝πRsCj／2。

Fig.5 Oscillation equivalent circuit圖5 振蕩時(shí)等效電路

4 結(jié)束語

脈沖振蕩管，不同于已有的各種振蕩器，它無須外加任何LC元件，其自身就可自行產(chǎn)生脈沖振蕩，并具有較高輸出振幅和頻率，而工作電源電壓又不高，其電路簡(jiǎn)單，具有新穎性、實(shí)用性?？蓮V泛地應(yīng)用在多種脈沖數(shù)字電路中。在簡(jiǎn)化電路、縮小體積、減輕重量、提高集成度和脈沖速度以及與TTL電路相兼容等方面有廣泛的應(yīng)用前景。用脈沖振蕩管做脈沖振蕩源，采用變換整形等調(diào)制技術(shù)和措施做成多種脈沖信號(hào)電源，有待進(jìn)一步研究。

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