Кондратенко Физика полупроводниковыих приборов 2009

Принимая в качестве номинальных Uси =10 В и tc = 20 OC ,

обычно большему Iс.нас.0 соответствует большая крутизна S max ;

использовать же приводимое в справочнике значение U0 не

рекомендуется, так как оно измеряется со значительной погрешностью.

что для переменных сигналов положительной полярности должно быть U зи < U зи = 0,3 В (иначе полевой транзистор войдёт в область,

где рn- переход окажется смещённым в прямом направлении, что недопустимо), а для сигналов отрицательной полярности должно - U зи = 1,7 – 0,3 = 1,4 В (иначе транзистор войдёт в

область отсечки, что также недопустимо).

41

Таблица 4.1. Электрические параметры транзистора типа КП303В

42

Продолжение таблицы 4.1

На самом деле, при таких величинах переменного сигнала uзи

уже возникают заметные нелинейные искажения, поэтому лучше не допускать превышения амплитудой сигнала uзи значения

100 мВ.

Рис. 4.8. Стоко-затворная ВАХ ПТ

Определим крутизну в Р.Т.:

S = Smax (1−U зи /U0 ) =3,5·(1 – 0,3/1,7) ≈ 2,9 мА/В.

Внутреннее сопротивление найдём по наклону стоковой ВАХ в рабочей точке. Из рис. 4.7,а находим, что при Uси = 2 В будет

43

включении ПТ по схеме с общим истоком (ОИ)) даются лишь максимальные значения, измеренные при Uси = 10 В и U зи = 0.

Принимаем их за номинальные ввиду отсутствия других данных в справочнике (реальное быстродействие будет только выше). Имеем

≈0,8 В – высота потенциального барьера в равновесном состоянии кремниевого pn- перехода. Учитывая, что U зи =0,3 В и Uзи.спр. =0, а

также U зс =Uси +U зи =10,3 В и U зс.спр =10 В, получим:

Т.е. поправки оказываются малосущественными. Ёмкость Сси

можно принять равной 1 пФ. Параметры схемы замещения полевого транзистора типа КП303В в рабочей точке приведены на рис. 4.9.

Рассчитаем величины приращений U0 и Iс.нас.0 , приводящие к нестабильности рабочей точки транзистора при возрастании температуры tc от 20 OC до 60 OC . Согласно формуле (4.3),

44

DU0 » 2 мВ ×(60°-20°) =80мВ. Построим графики, аналогичные

град

рис. 4.6, где помимо номинальной стоко-затворной ВАХ (см. рис. 4.8) будут изображены также максимальная и минимальная ВАХ при tc = 20 OC и при tc = 60 OC .

Рис. 4.9. Схема замещения полевого транзистора типа КП303В с параметрами

сплошными линиями. Находим температурные изменения Iс.нас.0

≈ -0,92 мА – для максимальной ВАХ.

45

Iс невозможно обеспечить в принципе; однако такие случаи

должны быть крайне редкими, так как расчет на наихудший случай приводит, вообще говоря, к излишне жёстким требованиям по цепям стабилизации режима. Проверим, наконец, не нарушаются ли ограничения, задаваемые максимально допустимыми параметрами. Напряжения U зи =0,3 В, Uси =10 В и U зс =10,3 В

существенно меньше предельных. Постоянная мощность, рассеиваемая на транзисторе,

Pc = Uси · Iс = 10 В·2 мА= 20 мВт,

а максимально допустимая мощность

Pc.max = 200 – 1,66·( 60O − 25O ) ≈ 142 мВт > Pc .

5. Модели транзисторов для машинных расчетов

При схемотехническом проектировании отдельных блоков и интегральных схем широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР). В принципиальных схемах электронных устройств в среде САПР транзисторы заменяются моделями, которые намного сложнее описанных в пп. 3 и 4 данного пособия эквивалентных схем для инженерных расчетов. Во-первых, модели для машинных расчетов являются изначально нелинейными и инерционными, так как должны описывать поведение транзисторов во временной области во всех возможных режимах работы; линеаризованные модели для анализа схем в частотной области получаются из этих общих моделей автоматически после расчета Р.Т. Во-вторых, модели для машинных расчетов помимо основных физических эффектов в транзисторах учитывают множество вторичных эффектов и паразитных параметров, связанных с влиянием подложки, других компонентов схемы, соединительных проводников и контактов. По мере совершенствования субмикронных технологий изготовления интегральных схем, сопровождающегося снижением размеров транзисторов, влияние вторичных эффектов увеличивается, что приводит к дальнейшему существенному усложнению моделей

47

транзисторов, выражающемуся в увеличении числа параметров этих моделей.

Для биполярных транзисторов при машинных расчетах чаще всего используется так называемая зарядовая модель ГуммеляПуна. Пример такой модели для конкретного биполярного транзистора взят с сайта www.cadence.com и приведен ниже:

*Model generated on May 31, 01

*MODEL FORMAT: PSpice

.MODEL Q2sd2114k/ON npn

+IS=5.06528e-14 BF=1091.19 NF=0.85 VAF=32.1699 +IKF=0.941639 ISE=9.69776e-12 NE=3.31558 BR=8.51039 +NR=0.885504 VAR=11.549 IKR=6.1496 ISC=9.24996e-14 +NC=4 RB=9.14712 IRB=0.1 RBM=0.1

+RE=0.000606715 RC=0.370182 XTB=1.91406 XTI=1 +EG=1.05 CJE=1.4022e-11 VJE=0.4 MJE=0.85 +TF=3.56959e-10 XTF=0.856876 VTF=8.09882 ITF=0.0142956

+CJC=2.24803e-11 VJC=0.76939 MJC=0.410197 XCJC=0.899998 +FC=0.688138 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5

+TR=1e-07 PTF=0 KF=0 AF=1

*$

В табл. 5.1 сравниваются параметры модели БТ для машинных расчетов и малосигнальной высокочастотной Т-образной ЭС (рис. 3.1,а). Следует заметить, что одни и те же физические процессы в ЭС для инженерных расчетов и в машинных моделях описываются по-разному. Так, в Т-образной ЭС конечное выходное сопротивление транзистора описывается с помощью резистора rк, а в машинной модели вместо этого используется напряжение Эрли VAF – количественный показатель, описывающий эффект модуляции толщины активной базовой области напряжением на переходе коллектор-база (эффект Эрли). Из анализа табл. 5.1 следует, что машинная модель имеет по умолчанию идеализированные параметры.

48

канала. u0 и tox – параметры модели BSIM3v3, имеющие следующие значения по умолчанию: u0=670 см2/(В× с) для транзистора с n-каналом и u0=250 см2/(В× с) для транзистора с p- каналом; tox=1,5×10 -8 м. Емкости исток–затвор Cзи и сток–затвор Cзс могут быть оценены по формулам [1]:

Cзи = 2/3WL Cox + WLD Cox,

Cзс = WLD Coх,

где LD – длина области боковой диффузии (величина перекрытия затвором области стока и истока). Кроме этих емкостей в интегральных транзисторах значительную роль играют паразитные емкости исток–подложка Cип и сток–подложка Cсп, зависящие от барьерных емкостей соответствующих обратно-смещенных pn- переходов. Конечное выходное сопротивление, которое в ЭС для инженерных расчетов обозначается как ri, в МДП-транзисторах является следствием нескольких физических эффектов и количественно характеризуется с помощью напряжения Эрли VA, рассчитываемого через другие параметры модели для машинных расчетов. Считается, что модель типа BSIM3v3 корректно описывает процессы в МДП-транзисторах с минимальными размерами канала до 100 нм. Для более совершенных вариантов технологий разработана еще более сложная модель BSIM4, которую, однако, в настоящее время поддерживают не все симуляторы (программы для выполнения схемотехнического моделирования), встроенные в САПР.

Параметры моделей для машинных расчетов получаются путем приближения расчетных зависимостей (ВАХ, вольт-фарадных характеристик) в процессе оптимизации к зависимостям, измеренным для специально изготовленных тестовых транзисторов и структур, либо (для вновь разрабатываемых приборов) к зависимостям, рассчитанным с помощью специальных программ приборно-технологического моделирования TCAD.

50