Физика - Лекции и методички / Учебно-методическая документация / практикум №1 Физические Основы Электроники

31

Этот коэффициент тем ближе к идеальному значению — единице, чем тоньше база и меньше степень её легирования (меньше концентрация примесей). Перемножив (5) на (6) получим:

Увеличению коэффициента усиления способствует также неоднородное легирование базы: примесей вводят больше вблизи ЭП, с уменьшением концентрации к КП. В такой базе нескомпенсированных ионов примеси, появляющихся из-за рекомбинации основных и неосновных носителей больше вблизи ЭП. В результате в базе возникает собственное электрическое поле, рис. 3.

Нетрудно убедиться, что собственное поле в такой базе – ускоряющее для неосновных носителей и сила Кулона FK заставляет их дрейфовать к КП и в результате пересекать базу быстрее (дрейфовый транзистор). Поэтому время пребывания в такой базе (время пролёта) меньше, вероятность рекомбинации и потери из-за неё меньше, частотные и импульсные свойства – лучше.

Более точный анализ процессов в БТ приводит к следующим, более точным соотношениям, которые используются в расчётах в настоящей работе.

где DБ, DЭ – коэффициенты диффузии в эмиттере и базе; NБ, NЭ – концентрация примесей в эмиттере и базе; w – толщина базы;

LЭ, LБ – средняя диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере и

базе;

η – коэффициент неоднородности базы (в бездрейфовом БТ с однородной базой η = 0, в дрейфовом транзисторе η = 2...3).

Коэффициент переноса более точно рассчитывается по формуле:

32

В настоящей работе определяется статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером β (она наиболее распространённая)

В число рассчитываемых параметров включается также предельная частота передачи тока в схеме с ОБ

ПР – время пролёта базы неосновными носителями.

Внастоящей работе БТ рассматривается несколько упрощённо. В наиболее точном и сложном описании БТ, в модели программы PSPICE, насчитывается до 60 параметров.

3.Методические указания по выполнению работы

3.1.Вызвать программу, ярлык которой LAB5, находится на рабочем

столе.

3.2.Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта 1–6 и данным табл. 1. При вводе больших и малых чисел пользоваться

экспоненциальной формой записи. Например, число 0.5 1017 следует ввести как 0.5Е17. После набора каждого числа нажимать ENTER.

3.3.Перенести в отчёт рисунок БТ с экрана.

3.4.Перенести в табл. 2. результаты расчёта исходного варианта.

3.5.Повторить расчёт для случая однородной базы (диффузионный транзистор), результаты занести в табл. 2. Все неуказанные в п.п. 3.5–3.8 параметры оставлять равными исходным.

3.6.Повторить расчёт для случая повышенной концентрации примесей в эмиттере NЭ, увеличив её на порядок. Результаты занести в табл. 2.

3.7.Повторить расчёт для случая повышенной концентрации примесей в базе NБ, увеличив её на порядок. Результаты занести в табл. 2.

3.8.Повторить расчёт для случая увеличенной толщины базы w, увеличив её вдвое. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 1. Исходные данные (дрейфовый кремниевый n-p-n БТ)

33

4.Содержание отчёта

–название и цель работы;

–рисунок схемы ОБ с поясняющими подписями;

–полностью заполненная табл. 2.

34

5.Контрольные вопросы

1.Изобразить n-p-n БТ в схеме с общей базой с указанием полярности напряжений и направления токов.

2.Изобразить p-n-р БТ в схеме с общей базой с указанием полярности напряжений и направления токов.

3.Пояснить физические процессы в БТ в схеме ОБ в активном режиме.

4.Как и почему на свойства БТ влияет степень легирования эмиттера?

5.Как и почему на свойства БТ влияет степень легирования базы?

6.Как и почему на свойства БТ влияет толщина базы?

7.Что такое инжекция, экстракция и рекомбинация в базе?

8.Что такое дрейфовый БТ и почему он лучше диффузионного БТ?

9.Как возникает ток базы и какие он имеет составляющие?

10.Почему усиление БТ по мощности может достигать тысяч раз?

35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ИХ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

1. Цель работы

Ознакомление с особенностями применения биполярных транзисторов и особенностями их компьютерных моделей.

2. Краткие теоретические сведения

Биполярные транзисторы (БТ) являются одними из наиболее распространённых электронных приборов. Для них, как и для диодов, характерно значительное разнообразие назначений – мощные, высоковольтные, высокочастотные, импульсные, малошумящие, со сверхбольшим усилением. БТ широко используются не только как дискретные (самостоятельные) элементы, но и в составе интегральных схем.

Принцип действия, конструкция и основные параметры БТ рассмотрены ранее в лабораторной работе № 5. В настоящей работе рассматриваются особенности применения и компьютерного моделирования наиболее распространённых типов БТ. Особое внимание уделено вопросам компьютерного моделирования, без чего невозможны ни их разработка, ни применение.

Рассмотрим пример создания одной из основных моделей БТ на примере БТ с n-p-n структурой. Именно n-p-n БТ наиболее распространены в связи с намного большей подвижностью свободных электронов, создающих основной ток в транзисторе. Простейший прототип компьютерной модели n-p-n БТ для включения с общей базой представлен на рис. 1:

Рис. 1. Простейшая модель n-p-n биполярного транзистора.

Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. При надлежащем выборе параметров этих диодов и полярности входного и выходного напряжения можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая «модель» не отражает главное свойство БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока выходной ток здесь не появляется.

36

Поэтому естественным шагом является введение в модель зависимого

источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален входному току

Iэ, рис.2:

Рис. 2. Модель n-p-n БТ с зависимым источником выходного тока.

Здесь и в дальнейшем обратными токами ЭП и КП пренебрегаем ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах.

Такая модель уже отражает важнейшую способность БТ: в активном режиме возникает выходной ток, практически равный и пропорциональный входному току.

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.3:

Рис. 3. Модель n-p-n БТ с учетом инверсного режима.

И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α >> αi) , он возникает иногда в реальных схемах и полноценная модель должна его воспроизводить.

Следующим очевидным шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам ёмкостей коллектор-база СВС и база-эмиттер СВЕ, рис. 4. При этом необходимо учитывать, 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. Поэтому графическое представление модели должно сопровождаться математическим описанием её элементов. В данном случае это формулы, определяющие зависимость барьерной ёмкости от обратного напряжения и диффузионной ёмкости от прямого тока.

37

Рис. 4. Модель n-p-n БТ с емкостями переходов.

Зависимость величины и характера этих емкостей (барьерная, диффузионная) от напряжения и тока описываются соответствующими уравнениями для ёмкости p-n перехода.

Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта активного сопротивления эмиттерной RE, базовой RB и коллекторной областей RC, рис. 5. При этом RB – это усредненное сопротивление токам в базе, возникающим между контактом базы и распределёнными по всему объёму базы нескомпенсированными ионами акцепторной примеси, появляющимися в результате рекомбинации. Поэтому RB называют распределённым или усреднённым сопротивлением базы.

Рис. 5. Модель n-p-n БТ с учетом активных сопротивлений.

Наименьшее влияние при этом оказывает Rэ, как сопротивление наиболее сильно легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Наибольшее влияние оказывает сопротивление

базы Rб, в связи с обязательно слабым легированием этой области.

Поскольку БТ применяется преимущественно в составе интегральных схем, между его коллекторным слоем и подложкой существует p-n переход. Поэтому модель дополняют ещё одним диодом DJ с его барьерной ёмкостью

38

CJ, которые отражают существование этого перехода в интегральной схеме, рис. 6:

Рис. 6. Модель n-p-n БТ с p-n-переходом между коллекторным слоем и подложкой ИС.

Рассмотренная модель является одним из вариантов модели ЭберсаМолла (по имени создателей), и остаётся основой более совершенных и современных моделей.

Могут оказаться необходимыми и другие параметры, которые уточняют температурные, шумовые свойства, особенности конструкции, размеров и материалов. Общее число параметров в наиболее распространенной модели профессионального уровня программы PSPICE достигает 60 и более.

В настоящей работе используется программа Micro-Cap 10 Evaluation, основные элементы и параметры модели БТ в которой практически такие же, как и в рассмотренной выше модели. Непринципиальным отличием при этом является рассмотрение БТ во включении с общим эмиттером, когда главным

коэффициентом является коэффициент передачи тока β= Iк/Iб. α и β связаны простым соотношением: β = α / (1 - α).

Из 60 параметров полной модели БТ программы Micro-Cap 10 Evaluation в лабораторной работе непосредственно используются только следующие параметры:

BF – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ (β);

CJS – ёмкость коллектор – подложка при нулевом напряжении; EG – ширина запрещенной зоны.

3.Методические указания по выполнению работы

1.Открыть программу Microcap 10, щелкнув дважды по ее значку на рабочем столе.

2.В меню File программы выбрать пункт Save as.. и сохранить файл в папку «Студент» на диске D:\ под именем, содержащим номер группы и слово «БТ» (например, БИН0101БТ).

39

3.Щелкнуть на иконку с изображением БТ в верхней части окна на панели инструментов. Курсор примет вид условного графического обозначения БТ .

4.Переместить БТ на рабочий стол окна программы. Справа появится окно со свойствами транзистора. В правой части окна в перечне, начинающемся

с«$Generic» выбрать тип БТ, соответствующей заданному варианту согласно табл. 1.

После выбора типа БТ станут доступными численные значения параметров его модели.

5.Определить и записать в отчет тип полупроводника, используемого в заданном БТ (ширина запрещенной зоны EG кремния - 1,11 эВ, арсенида галлия

-1,3 эВ, германия - 0,72 эВ).

6.Вызвать на экран монитора выходные характеристики (выбрать Ic vs.

Vce, кликнуть «plot»). Перенести в отчёт выходные характеристики (можно по характерным точкам упрощённо построить 3 характеристики, соответствующие максимальному, минимальному и одному из промежуточных значений тока базы). Указать на рисунке область отсечки, область насыщения и область активного режима. Если пологий участок зависимости не отображается на экране, необходимо скорректировать масштаб построения графика нажатием на клавиатуре клавиши F9, внесением в появившемся окне необходимого конечного значения напряжения коллектор-эмиттер и повторным нажатием на «Plot».

7.Вызвать на рабочий стол зависимость BF от тока (DC Current Gain, plot). Определить максимум BF и при каком токе он достигается.

8.Вызвать на рабочий стол зависимость напряжения насыщения от тока

(Vce Saturation Voltage, plot), определить его минимальное значение и при каком токе оно достигается. Рассчитать минимальное сопротивление насыщенного состояния.

9.Вызвать на рабочий стол зависимость BF от частоты (Beta vs. Frequency, plot). Определить предельную частоту (на которой BF уменьшается на 3 дБ) и граничную частоту (на которой BF равен 0 дБ).

10.Определить, является ли данный БТ дискретным элементом (CJS = 0) или элементом интегральной схемы (CJS ≠ 0).

40

4. Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

1.название, цель работы;

2.условное обозначение, тип полупроводника и тип структуры заданного БТ (n-p-n, p-n-p);

3.рисунок выходных характеристик с указанием границ областей отсечки, насыщения, активного режима;

4.максимальный коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером

ивеличину тока, при котором он достигается;

5.минимальное напряжение насыщенного состояния (Vce Saturation Voltage), величину тока, при котором оно достигается, а также сопротивление БТ в этом состоянии;

6.значения предельной и граничной частот;

7.характер использования БТ (в интегральной схеме или как дискретный элемент).

5.Контрольные вопросы

1.В чём заключаются отличия n-p-n и p-n-p БТ?

2.Как используются активный режим, режимы отсечки и насыщения БТ? Почему не используется инверсный режим?

3.Изобразите схему модели Эберса-Молла и поясните назначение её элементов.

4.В каком применении БТ важно иметь минимальное сопротивление открытого состояния?

5.Назовите основные рекомендации для изготовления БТ с хорошими частотными и импульсными свойствами.