Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Учебное пособие
.pdf
(U – Uпр)/Rпр при U < Uпр (54)
I = I0 (exp(U/T – 1) при Uпр U UC (55)
Iс + (U– UC)/Rб при U > UC . (56)
Здесь диод также моделируется зависимым источником тока, однако эта
зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет
отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими
уравнениями первой степени. Это участок пробоя, уравнение (54) и линейная
часть ВАХ при прямом напряжении, уравнение (56). Уравнение (55) –
уравнение Шокли, которое хорошо описывает начальную часть ВАХ диода
при прямом и небольших обратных напряжениях.
Добавление в эквивалентную схему сопротивления утечки Rут позволяет
придать наклон допробойной части ВАХ при обратном напряжении и
приблизить ВАХ модели к ВАХ реального диода. Так как обратный ток очень
мал, добавление R
практически не изменяет положение остальных частей
ут
ВАХ.
Частотные и импульсные свойства диода учитываются введением в
эквивалентную схему полной емкости диода С:
C = C
бар
+ C
,
дф
где барьерная C
и диффузионная Cдф ёмкости p-n перехода описываются
бар
обычными формулами (16) и (17).
Данная модель стала основой для моделей бóльшей точности и
сложности.
11.2. Компьютерная модель транзистора
В качестве примера компьютерной модели транзистора рассмотрим
модель БТ с n-p-n структурой. Её прототип изображён на рис. 53.
Рис. 53 Рис. 54
(57)
61
Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП)
переходы. При надлежащем выборе параметров этих диодов можно получить
точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая
«модель» не отражает главное в процессах в БТ: взаимодействие переходов. В
частности, при любом значении входного тока в ЭП выходной ток в КП не
появляется.
Поэтому естественным шагом является введение в эквивалентную схему
зависимого источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален
входному току I
рис. 54.
э,
Такая модель отражает важнейшее свойство БТ: в активном режиме
возникает выходной ток, пропорциональный входному току. Обратные токи
ЭП и КП игнорируются ввиду их малости в наиболее распространённых
кремниевых транзисторах.
Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого
источника тока αiIк, который необходим в случае инверсного режима, когда
входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной
ток, рис. 55.
Рис. 55 Рис. 56
И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный
(α
>> α
) , он иногда возникает в реальных схемах и полноценная модель
i
должна это отражать.
Следующим шагом является учёт ёмкости переходов, что
обеспечивается добавлением параллельно диодам полной ёмкости КП СКП и
полной ёмкости ЭП СЭП, рис. 56.
Модель пополнится уравнениями, учитывающими то, что ёмкость p – n
перехода при прямом напряжении диффузионная, при обратном - барьерная.
Та и другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его
величины.
Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта
активного сопротивления эмиттерной Rэ, базовой R
и коллекторной областей
б
Rк, рис. 57. Rэ - сопротивление наиболее легированной области, в связи с чем
это сопротивление часто принимается равным нулю. Много большую
величину имеет сопротивление базы Rб, в связи с обязательно слабым
62
легированием этой области. Сопротивление R
учитывают в ключевом
к
режиме, т.к. оно влияет на сопротивление открытого состояния.
Рис. 57 Рис. 58
Поскольку БТ применяется преимущественно в интегральных схемах,
между его коллекторным слоем и кристаллом ИС существует p-n переход.
Поэтому модель дополняют ещё одним диодом DJ с его барьерной ёмкостью
CJ, которые отражают существование этого перехода в интегральной схеме,
рис. 58.
Рассмотренная модель получила название модели Эберса – Молла (по
имени создателей).
Может оказаться необходимым учёт и других особенностей БТ. Это
уточнённые температурные свойства, шумовые свойства, особенности
конструкции и размеров. Общее число параметров модели БТ в
профессиональных программах компьютерного моделирования электронных
схем приближается к 100.
12. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Напряжения и токи в электронных приборах подвержены случайным
изменениям, флуктуациям. Они воспринимаются как шумовая составляющая
полезных сигнальных токов и напряжений. В условиях слабых сигналов,
например, в протяжённых каналах связи (спутниковая связь, оптоволоконные
и кабельные линии связи) шумы часто являются главной причиной ошибок и
искажений при передаче информации.
Существуют два основных вида шумов электронных приборов:
тепловой шум и дробовый шум.
Тепловой шум возникает вследствие хаотического теплового движения
носителей заряда. В любом сечении проводника или полупроводника, в любой
отрезок времени, суммарный заряд, перенесённый слева направо отличается
от заряда, перенесённого справа налево. Это неустранимое отличие ΔQ
означает существование случайного по величине и направлению шумового
тока i
= ΔQ/Δt. Шумовой ток существует вне зависимости от внешнего
ш.т
63
напряжения. Он создаёт шумовое напряжение u
ш.т
= i
R на любом объекте
ш.т
c активным сопротивлением R. «Шумит» любое сопротивление сопротивление канала МДП транзистора, сопротивление областей БТ,
сопротивление обыкновенного резистора.
Типичная временная диаграмма u
Рис. 59
изображена на рис. 59.
ш.т
Очевидно, что среднее во времени значение ū
= 0. Поэтому
ш.т
количественно тепловой шум оценивается среднеквадратичным значением
напряжения шума ū
ū
ш.т
2
:
2
= 4kTRΔf , (58)
ш.т
где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, Δf – полоса
частот, в которой шум воспринимается.
Из (57) следует, что тепловой шум можно ослабить следующими
способами:
- уменьшением температуры электронных устройств или их частей
(иногда применяется);
- применением в электронных устройствах элементов с минимальным
сопротивлением (применяется);
- уменьшением полосы пропускания канала связи Δf.
Последнее находится в противоречии с потребностью в
широкополосных каналах связи, обеспечивающих бóльшую скорость
передачи информации (например, широкополосный интернет). Однако в
узкополосных, «медленных» каналах достигается лучшее отношение
сигнал/шум. Именно поэтому одно фото с далёкой космической станции
может передаваться в течение многих часов.
Дробовый шум возникает при протекании тока в различных объектах –
транзисторах, диодах, электронных лампах. Так, количество носителей в
каждую единицу времени, пересекающих открытый m-n, p-n переход или
пространство между анодом и катодом, всегда неодинаково. Отличие может
быть очень небольшим, может быть, всего на несколько электронов больше
или меньше. Тем не менее, это означает, что ток в таких объектах
флуктуирует, т.е. имеет дробовую шумовую составляющую i
64
ш.д
.
Строго говоря, из-за наличия флуктуаций постоянные токи в
электронных элементах невозможны даже при постоянных напряжениях.
Временные диаграммы и подход к количественной оценке дробового
шума аналогичны тем, что относятся к тепловому шуму. Среднеквадратичный
дробовый шумовой ток вычисляется по формуле:
i
где q – элементарный заряд, I – ток в объекте.
2
= 2qIΔf , (59)
ш.д
Уменьшение дробового шума путем уменьшения токов транзисторов
сопровождается уменьшением их усиления и возможно только в некоторых
пределах. Поэтому, как и в случае теплового шума, главным способом
уменьшения проявлений дробового шума является уменьшение Δf.
При компьютерном моделировании шумовых процессов в электронных
схемах ко всем сопротивлениям последовательно с ними подключаются
источники шумового напряжения. Ко всем контактам (переходам), в которых
протекает ток, параллельно подключаются источники шумового тока [1; 5; 6].
65
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника / Под ред. Н.Д.
Фёдорова. – М.: Радио и связь, 1998.
2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов. радио,1980. – 423 с.
3. Николотов В.И. Физические основы электроники: Учебное пособие /
МТУСИ. – М., 2003. – 91 с.
4. Власов В.П., Каравашкина В.Н. Физические основы электроники.
Практикум: Учебное пособие / МТУСИ. – М., 2015.
5. Смирнов Ю.А., Соколов С.В., Титов Е.В. Физические основы электроники:
Учебное пособие для вузов. – СПб.: Лань, 2013. – 599 с.
6. Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. Электроника: Учебник для вузов. – М.: Дрофа,
2009. – 704 с.
66
План УМД на 2016/17 уч.г.
С. 7, п. 46
Вячеслав Петрович Власов
Валентина Николаевна Каравашкина
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Подписано в печать 26.04.2016г. Формат 60х90 1/16.
Объём 4,3 усл.п.л. Тираж 300 экз. Изд. № 40. Заказ 76.
ООО «Брис-М». Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а.
67
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]