Материал: Исследование модели биполярного транзистора. Методические указания к лабораторной работе № 2 по дисциплине Интегральные устройства радиоэлектроники. Кретов С.Д., Турецкий А.В
Воронежский государственный технический университет
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе № 2
по дисциплине "Интегральные устройства радиоэлектроники" для студентов специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств"
очной и заочной форм обучения
Воронеж 2005
Составители: канд. техн. наук С.Д.Кретов,
канд. техн. наук А.В. Турецкий,
канд. техн. наук Н.В. Ципина
УДК 621.3.049.7.002 (075)
Исследование модели биполярного транзистора: Методические указания к лабораторной работе № 2 по дисциплине "Интегральные устройства радиоэлектроники" для студентов специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" очной и заочной форм обучения / Воронеж. гос. техн. унт; Сост. С.Д. Кретов; А.В. Турецкий; Н.В. Ципина. Воронеж, 2005. 28 с.
Методические указания предназначены для проведения лабораторной работы по курсу "Интегральные устройства радиоэлектроники". Основной целью указаний является закрепление теоретических знаний и выработка навыков использование процесса моделирования при проектировании РЭС.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле IURLAB2.doc
Ил. 4. Библиогр.: 3 назв.
Рецензент канд. Физ. –мат. Наук, доц. А.В. Чернышов
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук. проф. А.В. Муратов
Издается по решению редакционноиздательского совета Воронежского государственного технического университета.
© Гоу впо «Воронежский государственный технический университет, 2005
1 Общие указания
1.1 Цель работы
Изучение модели биполярного транзистора и ее параметров.
Приобретение навыков по применению модели биполярного транзистора для схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств.
1.2 Содержание работы
Основным содержанием работы является изучение модели биполярного транзистора, схемы замещения и влияние параметров модели на характеристики прибора.
При выполнении работы используется программа схемотехнического моделирования Pspice, входящая в состав системы сквозного автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств OrCAD 9.2.
Процесс выполнения работы ориентирован на приобретение студентами знаний в области схемотехнического моделирования и навыков по использованию современных программных средств.
Обучение при выполнении работы осуществляется в процессе выполнения домашних и лабораторных заданий. Контроль усвоения полученных студентами знаний и навыков производится при собеседовании путем оценок ответов на контрольные вопросы по выполнению домашних и лабораторных заданий.
В процессе работы необходимо соблюдать общие правила техники безопасности при работе с электроустановками напряжением до 1000 В, а также требования к оформлению отчета.
2 Домашние задания и методические указания по их выполнению
2.1 Задание № 1
Изучить модель биполярного транзистора Гуммеля –Пуна, параметры модели и схему замещения.
Методические указания по выполнению первого задания
Для выполнения задания необходимо проработать материал /1; 2/, а также содержание настоящего раздела.
В программе PSpice используется схема замещения биполярного транзистора в виде адаптированной модели Гуммеля–Пуна (рис.1), которая по сравнению с исходной моделью позволяет учесть эффекты, возникающие при больших смещениях на переходах. Эта модель автоматически упрощается до более простой модели Эберса–Молла (рис.2), если опустить некоторые параметры Параметры полной математической модели биполярного транзистора приведены в табл. 1.
Рис. 1. Схема замещения биполярного n–p–n-транзистора для модели Гуммеля–Пуна:
Рис. 2. Схема замещения биполярного n–p–n-транзистора для передаточной модели Эберса–Молла.
Таблица 1
Параметры полной математической модели
биполярного транзистора
Имя параметра |
Параметр |
Знач. по умолчанию |
Единица измерения |
IS |
Ток насыщения при температуре 27С |
10 |
А |
BF |
Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в схеме с ОЭ (без учета токов утечки) |
100 |
|
BR |
Максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме в схеме с ОЭ |
1 |
|
NF |
Коэффициент неидеальности в нормальном режиме |
1 |
|
NR |
Коэффициент неидеальности в инверсном режиме |
1 |
|
ISE (C2)* |
Ток насыщения утечки перехода база–эмиттер |
0 |
А |
ISC (C4) |
Ток насыщения утечки перехода база–коллектор |
0 |
А |
IKF (IK) |
Ток начала спада зависимости BF от тока коллектора в нормальном режиме |
|
А |
IKR* |
Ток начала спада зависимости BR от тока эмиттера в инверсном режиме |
|
А |
NE* |
Коэффициент неидеальности перехода база–эмиттер |
1,5 |
|
Продолжение табл. 1
|
|||
NC* |
Коэффициент неидеальности коллекторного перехода |
1,5 |
|
NK |
Коэффициент, определяющий множитель |
0,5 |
|
ISS |
Обратный ток p–n-перехода подложки |
0 |
A |
NS |
Коэффициент неидеальности перехода подложки |
1 |
|
VAF (VA) |
Напряжение Эрли в нормальном режиме |
|
В |
VAR (VB) |
Напряжение Эрли в инверсном режиме |
|
В |
RC |
Объемное сопротивление коллектора |
0 |
Ом |
RE |
Объемное сопротивление эмиттера |
0 |
Ом |
RB |
Объемное сопротивление базы (максимальное) при нулевом смещении перехода база–эмиттер |
0 |
Ом |
RBM* |
Минимальное сопротивление базы при больших токах |
RB |
Ом |
IRB* |
Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% полного перепада между RB и RBM |
|
А |
TF |
Время переноса заряда через базу в нормальном режиме |
0 |
с |
TR |
Время переноса заряда через базу в инверсном режиме |
0 |
с |
QCO |
Множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области |
0 |
Кл |
RCO |
Сопротивление эпитаксиальной области |
0 |
Ом |
VO |
Напряжение, определяющее перегиб зависимости тока эпитаксиальной области |
10 |
В |
GAMMA |
Коэффициент легирования эпитаксиальной области |
10 |
- |
XTF |
Коэффициент, определяющий зависимость TF от смещения база–коллектор |
0 |
|
VTF |
Напряжение, характеризующее зависимость TF от смещения база–коллектор |
|
В |
ITF |
Ток, характеризующий зависимость TF от тока коллектора при больших токах |
0 |
А |
PTF |
Дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора |
0 |
град. |
CJE |
Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении |
0 |
пФ |
VJE (PE) |
Контактная разность потенциалов перехода база–эмиттер |
0,75 |
В |
MJE (ME) |
Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного перехода |
0,33 |
|
CJC |
Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении |
0 |
Ф |
VJC (PC) |
Контактная разность потенциалов перехода база–коллектор
|
0,75 |
В |
Продолжение табл. 1
|
|||
MJC (MC) |
Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного перехода |
0,33 |
|
CJS (CCS) |
Емкость коллектор–подложка при нулевом смещении |
0 |
Ф |
VJS (PS) |
Контактная разность потенциалов перехода коллектор–подложка |
0,75 |
В |
MJS (MS) |
Коэффициент, учитывающий плавность перехода коллектор–подложка |
0 |
- |
XCJC |
Коэффициент расщепления емкости база–коллектор |
1 |
|
FC |
Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных переходов |
0,5 |
|
EG |
Ширина запрещенной зоны |
1,11 |
эВ |
XTB |
Температурный коэффициент BF и BR |
0 |
|
XTI(PT) |
Температурный коэффициент IS |
3 |
|
TRE1 |
Линейный температурный коэффициент RE |
0 |
С-1 |
TRE2 |
Квадратичный температурный коэффициент RE |
0 |
С-2 |
TRB1 |
Линейный температурный коэффициент RB |
0 |
С-1 |
TRB2 |
Квадратичный температурный коэффициент RB |
0 |
С-2 |
TRM1 |
Линейный температурный коэффициент RBM |
0 |
С-1 |
TRM2 |
Квадратичный температурный коэффициент RBM |
0 |
С-2 |
TRC1 |
Линейный температурный коэффициент RC |
0 |
С-1 |
TRC2 |
Квадратичный температурный коэффициент RC |
0 |
С-2 |
KF |
Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликкер–шума |
0 |
|
AF |
Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер–шума от тока через переход |
1 |
|
T_MEASURED |
Температура измерений |
|
С |
T_ABS |
Абсолютная температура |
|
С |
T_REL_ GLOBAL |
Относительная температура |
|
С |
T_REL_ LOCAL |
Разность между температурой транзистора и модели-прототипа |
|
С |
* Для модели Гуммеля–Пуна.
Примечания. 1. В круглых скобках в левой графе таблицы указаны альтернативные обозначения параметров. Параметр RB для модели Эберса–Молла имеет смысл объемного сопротивления базы, не зависящего от тока базы. Остальные параметры имеют одинаковый смысл для моделей Эберса–Молла и Гуммеля–Пуна.
Соотношения описывающие статический режим транзистора. Режим описывается следующими соотношениями (см. рис. 1):
Ib = Ibe1/BF + Ibe2 + Ibc1/BR + Ibc2;
Ic = Ibe1/Qb–Ibc1/Qb–Ibc1/BR–Ibc2;
Ibe1 =IS[exp(Vbe/(NF·Vt)) – 1];
Ibe2 =ISE[exp(Vbe/(NE·Vt)) – 1];
Ibc1 =IS[exp(Vbc/(NR·Vt)) – 1];
Ibc2 =ISC[exp(Vbc/(NC·Vt) – 1];
Qb
=Q1[1
+ (1 + 4Q2)
]/2;
Q1=1/(1-Vbc/VAF-Vbe/VAR), Q2=Ibe1/IKF+Ibc1/IKR;
Is =ISS [exp(Vjs/(NS·Vt)) – 1].
На рис. 1 приняты обозначения: Ib – ток базы; Ic – ток коллектора; Ibe1 – ток коллектора в нормальном режиме; Ibc1 – ток коллектора в инверсном режиме; Ibe2, Ibc2 – составляющие тока перехода база–эмиттер, вызванные неидеальностью перехода; Is – ток подложки; Vbe, Vbc – напряжения на переходе внутренняя база–эмиттер и внутренняя база–коллектор; Vbs – напряжение внутренняя база–подложка; Vbn – напряжение внутренняя база–подложка для режима квазинасыщения; Vbx – напряжение база–внутренний коллектор; Vce – напряжение внутренний коллектор–внутренний эмиттер; Vjs – напряжение внутренний коллектор–подложка для NPN-транзистора, напряжение внутренняя подложка–коллектор для PNP-транзистора или напряжение внутренняя база–подложка для LPNP-транзистора.
Объемное сопротивление базы Rb характеризуется двумя составляющими. Первая составляющая RB определяет сопротивление вывода базы и сопротивление внешней области базы, которые не зависят от тока базы Ib. Вторая составляющая RBM характеризует сопротивление активной области базы, находящейся непосредственно под эмиттером; это сопротивление зависит от тока Ib. Объемное сопротивление базы Rb определяется следующими выражениями в зависимости от значения параметра IRB
где
Замечание. В программе PSpice токи, втекающие в транзистор, считаются положительными. Поэтому в активном нормальном режиме в n–p–n-структуре (рис. 1) Ic>0, Ib>0, Ie<0. Для структуры p–n–p все напряжения и токи имеют противоположный знак.
Параметры, влияющие на динамические свойства транзистора, учтены включением в модель емкостей коллектора, эмиттера и подложки, которые имеют диффузионные и барьерные составляющие. Емкость перехода база–эмиттер равна сумме диффузионной (Ctbe) и барьерной (Cjbe) составляющих:
Cbe = Ctbe + Cjbe,
где Ctbe = tf·Gbe; Gbe = dIbe/dVbe – дифференциальная проводимость перехода база–эмиттер в рабочей точке по постоянному току;
tf =TF[1+XTF(3x -2x )exp(Vbc/(1,44VTF))], x=Ibe1/(Ibe1+ITF);
Емкость перехода база–коллектор расщепляется на две составляющие:
емкость между внутренней базой и коллектором Cbc,
Cbc = Ctbc + XCJC·Cjbc,
где Cbct = TR·Gbc, Gbc=dIbc1/dVbc;
и емкость между внешним выводом базы и коллектором Cbx,
емкость коллектор–подложка равна
Режим квазинасыщения. Этот режим характеризуется прямым смещением перехода внутренняя база–коллектор, в то время как переход наружная база–коллектор остается смещенным в обратном направлении. В расширенной модели Гуммеля–Пуна этот эффект моделируется с помощью дополнительного управляемого источника тока Iepi и двух нелинейных емкостей, заряды которых на рис. 4.4, а обозначены Qo и Qw. Эти изменения вносятся в модель, если задан параметр RCO [59 ]:
где
Температурная зависимость. Эта зависимость параметров элементов эквивалентной схемы биполярного транзистора устанавливается с помощью следующих выражений:
IS(T)=IS·exp[EG(T)/Vt(T)
(T/Tnom–1)]
(T/Tnom)
;
ISE(T)=(ISE/
bf)·exp[EG(T)/(NE·Vt(T))
(T/Tnom–1)]
(T/Tnom)
;
ISC(T)=(ISC/
bf)·exp[EG(T)/(NC·Vt(T))
(T/Tnom–1)]
(T/Tnom)
;
ISS(T)=(ISS/bf)
·exp[EG(T)/(NS·Vt(T))
(T/Tnom–1)]
(T/Tnom)
;
BF(T)=BF·bf,
BR(T)=BR·bf,
bf=(T/Tnom)
;
RE(T)=RE
[1+TRE1(T–Tnom)+TRE2
(T–Tnom)
];
RB(T)=RB [1+TRB1(T–Tnom)+TRB2 (T–Tnom) ];
RBM(T)=RBM [1+TRM1(T–Tnom)+TRM2(T–Tnom) ];
RC(T)=RC[1+TRC1(T–Tnom)+TRC2 (T–Tnom) ];
VJE(T)=VJE·T/Tnom–3Vt ·ln(T/Tnom) –EG(Tnom) ·T/Tnom+EG(T);
VJC(T)=VJC·T/Tnom–3Vt ·ln(T/Tnom) –EG(Tnom) ·T/Tnom+EG(T);
VJS(T)=VJS·T/Tnom–3Vt ·ln(T/Tnom) –EG(Tnom)·T/Tnom+EG(T);
CJE(T)=CJE{1+MJE[0,0004(T–Tnom)+1–VJE(T)/VJE]};
CJC(T)=CJC{1+MJC[0,0004(T–Tnom)+1–VJC(T)/VJC]};
CJS(T)=CJS{1+MJS[0,0004(T–Tnom)+1–VJS(T)/VJS]};
KF(T)=KF·VJC(T)/VJC, AF(T)=AF·VJC(T)/VJC.
Скалярный коэффициент Area. Он позволяет учесть параллельное соединение однотипных транзисторов, для чего в приведенной выше модели изменяются следующие параметры:
IS=IS·Area, ISE=ISE·Area, ISC=ICS·Area, ISS=ISS·Area, IKF=IKF·Area, IKR=IKR·Area, IRB=IRB·Area, ITF=ITF·Area, CJC=CJC·Area, CJE=CJE·Area, CJS=CJS·Area, RBB=RBB/Area, RE=RE/Area, RC=RC/Area, QCO=QCO·Area.
Значение Area указывается в задании на моделирование при включении транзистора в схему, по умолчанию Area=1.
В качестве примера приведем список параметров модели Гуммеля–Пуна биполярного транзистора КТ316Д
.model KT316D NPN(IS=2.75f XTI=3 EG=1.11 VAF=96 +BF=136.5 NE=2.496 ISE=12.8pA IKF=97.23m XTB=1.5
+ VAR=55 BR=.66 NC=2 ISC=15.5p IKR=.12 RB=70.6 RC=8.4 + CJC=4.1pF VJC=.65 MJC=.33 FC=.5 VJE=.69 CJE=1.16pF +MJE=.33 TR=27.8n TF=79.0p ITF=.151 VTF=25 XTF=2 )
2.2 Задание № 2
Изучить правила составления задания на моделирование в программе Pspice.
Методические указания по выполнению второго задания.
Для выполнения задания необходимо проработать материал /1, с. 54-91/; /2, с. 564-567/, а также содержание настоящего раздела.
Задание на моделирование для программы PSpice заносится в текстовые файлы. При графическом вводе схем с помощью программы Schematics создаются три файла задания с одним и тем же именем и расширениями имени .cir, .net и .als. При составлении этого задания непосредственно с помощью текстового редактора достаточен один файл .cir. На бумаге составляется принципиальная схема, и присваиваются имена всем ее узлам. Имена узлов могут быть целыми числами от 0 до 9990 или алфавитно-цифровыми символами длиной не более чем 131 символ. В качестве этих символов используются буквы латинского алфавита от A до Z, цифры 0, 1, ..., 9 и знаки “$”, “_”, “*”, “/”, “%”. Аналоговая земля должна обязательно иметь имя «0». При ссылке на цифровые имена узлов они заключаются в круглые скобки, например V(6) – потенциал узла 6.