Модель биполярного транзистора (63462)

Посмотреть архив целиком

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ


КАФЕДРА РЭС










РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:


«Модель биполярного транзистора»












МИНСК, 2009


В данной программе реализованы две классические модели, описывающие характеристики биполярного транзистора (БТ) при работе на постоянном токе и в режиме "большого сигнала". Это модель Эберса-Молла и зарядовая модель Гуммеля-Пуна.

Модель Эберса-Молла основана на суперпозиции нормального и инверсного БТ, работающих в активном режиме. Такой подход к моделированию обусловлен тем, что при управлении "большим сигналом" БТ работает в двух режимах:

активном - нормальном режиме работы БТ, при котором рабочий ток обусловлен инжекцией носителей заряда из эмиттера (emitter) в базу (base);

насыщения - режим: работы БТ, при котором рабочий ток обусловлен инжекцией из коллектора (collector) в базу. В этом режиме р-п -переходы меняются ролями и в связи с этим изменяется направление протекания выходного тока на противоположное - инверсное.

Модель Эберса-Молла связывает токи на выводах БТ с напряжениями на р-п - переходах, поэтому она удобна для схемотехнического анализа.

Однако модель Эберса-Молла не учитывает некоторые эффекты, сопровождающие работу БТ в широком диапазоне изменения рабочих токов и напряжений.

Зарядовая модель Гуммеля-Пуна фактически дополняет модель Эберса-Молла выражениями связывающими токи инжекции с зарядом в базе. Эти выражения, в частности, позволяют учесть зависимость коэффициента передачи тока от рабочих токов и напряжений Эквивалентная схема модели БТ по постоянному току и для режима "большого сигнала" приведена на рис28.4. Элементы эквивалентной схемы, приведенной на рис 4, моделируют:

- генераторы тока IB и IC, управляемые напряжениями соответственно - статические ВАХ БТ;

- элементы накопления заряда QBE и QBC - накопление заряда вблизи соответствующих р-п-переходов (между соответствующими электродами) БТ;

- резисторы RB , RC RE - омические сопротивления областей базы, коллектора и эмиттера соответственно.

Генератор тока IB моделирует ток, протекающий в цепи базы (через электрод базы) в двух режимах работы активном (нормальном, прямом -forward) и насыщения (инверсном - reverse) и описывается выражением


(1)


где IBF и IBR - токи базы в прямом и инверсном включении БТ.

При моделировании генераторов тока IB и IС следует учитывать токовую зависимость коэффициентов передачи БТ, которая в режиме малых токов обусловлена суперпозицией двух физических эффектов, определяющих величину тока базы: генерация (инжекция) и рекомбинация носителей заряда. Эти эффекты имеют место в прямом и инверсном, включении и потому выражение (1) Можно представить в следующем виде:


(2)


где - составляющие тока базы, обусловленные инжекцией (injection) и рекомбинацией (recombination) носителей заряда в прямом и инверсном включениях соответственно.

В режиме малых (менее 1 мА) токов коллектора зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора B(IС) имеет вид, представленный на рис.1. Спад коэффициента В в режиме малых токов объясняется с помощью ВАХ, генераторов тока базы IB и коллектора IС, представленной на рис.2. Из данной ВАХ видно, что при токах IС больше некоторого тока IL, графики IС (Vbe) и IB (Vbe) параллельны, что и обеспечивает постоянство коэффициента В (см рис.5), определяемого отношением тока IС к IB. При IС меньше IL большой вклад в ток IB вносит составляющая IBR, зависимость Ibr(Vbe) которой имеет наклон, отличный от зависимости IС (VBE), и поэтому коэффициент В при уменьшении VBE, a соответственно и тока IС, падает.


Рис.1. Зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора


Рис. 2. ВАХ генераторов тока IС и IB


В передаточной модели Эберса-Молла инжекционные составляющие тока базы, протекающие в прямом и инверсном включениях БТ, описываются через выходной ток для прямого IF и инверсного IR включений и соответствующие этим включениям коэффициенты передачи тока BR и BF. C учетом изложенного для токов IBIF и IBIR можно записать


(3)

(4)


В передаточной модели Эберса-Молла токи IF и IR описываются следующими выражениями



(5)

(6)


где IS – начальное значение тока инжекции неосновных носителей в базу, которое в программе PSPICE определяется следующим образом


(7)

(8)


Из выражений (5) и (6) следует, что для расчета токов IF я IR используется одно начальное значение этих токов. Это может быть объяснено тем, что эти токи обусловлены инжекцией носителей заряда в одну и ту же область - область базы БТ. Такое допущение упрощает модель благодаря уменьшению ее параметров. Однако вносит неточность в расчет, так как инжекция и прохождение носителей заряда в базе, обусловленные двумя механизмами - диффузией и дрейфом под действием электрического поля - Неодинаковы в различных направлениях по базе. Диффузия носителей заряда через р-п-переход прямо пропорциональна градиенту (перепаду) их концентрации вблизи соответствующего р-п-перехода. Градиент концентрации носителей заряда у эмиттерного р-п-перехода интегрального п-р-п БТ всегда выше, чем у коллекторного.

Кроме того, в базе такого транзистора, сформированной методом диффузии, вследствие наличия градиентов концентраций легирующей примеси и основных носителей заряда из-за диффузии последних произойдет перераспределение зарядов и образуется электрическое поле. Это поле является ускоряющим для электронов, инжектированных из эмиттера в базу, и тормозящим для электронов, инжектированных из коллектора в базу.

Подставив (3)...(6) в (2), получим выражение для ВАХ генератора тока IB:


(9)


Где Ne и Nс - коэффициенты неидеальности ВАХ генератора тока базы, обусловленной рекомбинацией носителей заряда, в прямом и инверсном включениях соответственно,

- начальные значения рекомбинационных составляющих тока базы в прямом и инверсном включениях соответственно.

Генератор IC моделирует токи, протекающие в цепи коллектора (через электрод коллектора) в прямом и инверсном включении и согласно передаточной модели Эберса-Молла может быть описан выражением


(10)


В выражении (10) первое слагаемое описывает ток через электрод коллектора в прямом включении. Второе и третье слагаемые в сумме дают Ток, протекающий через электрод коллектора в инверсном включении.

Зарядовая модель Гуммеля-Пуна дополняет передаточную модель Эберса-Молла введением некоторого заряда в базе Qb в модель для генератора тока Iс, что позволяет описать два хорошо известных на практике эффекта: зависимость IC(VCE) в активной области выходной ВАХ БТ и спад коэффициента передачи тока при высоких уровнях тока IC В модели Гуммеля-Пуна выражение (10) имеет следующий вид:


(11)



Подставив в (10) выражения (5), (6), с учетом (1), (2) и (9) получим:


(12)


где QB - зарядовый коэффициент.

График зависимости Ic(Vce) (выходной ВАХ) приведен на рис.7. Рост тока IC при увеличении VCE активной области ВАХ обусловлен уменьшением толщины квазинейтральной базы (эффект Эрли). С ростом обратносмещающего потенциала на коллекторе увеличивается толщина обедненной области р-п - перехода коллектор - база и уменьшается толщина квазинейтральной базы. Хорошо известно, что при уменьшении толщины базы и неизменном потенциале на базе ток IC растет.

Из графика зависимости В(IC), приведенного на рис.5, видно, что при токе IC больше некоторого значения IK происходит спад коэффициента В. Уменьшение коэффициента В объясняется тем, что при больших токах IC и соответственно высоких концентрациях подвижных носителей заряда растет плотность заряда в р-п-переходе коллектор - база и как следствие этого уменьшается его ширина (эффект Кирка). Сужение р-п - перехода коллектор-база приводит к увеличению толщины квазинейтральной базы, а это в свою очередь - к уменьшению коэффициента В.

Таким образом, рост тока IC в активной области выходной ВАХ, а также спад коэффициента В при больших токах IC связаны с изменением толщины квазинейтральной базы. В то же время при изменении толщины базы и постоянной концентрации основных носителей заряда в ней изменяется заряд в базе. Такая модуляция заряда в базе и используется в модели Гуммеля-Пуна для моделирования рассмотренных выше эффектов. При этом изменение заряда в базе оценивается с помощью зарядового коэффициента Qb, который представляет собой отношение концентрации основных носителей в базе к заряду в базе при нулевых смещениях на р-п-пререходах. То есть при напряжениях VCE =0, VBC =0 коэффициент Qb=1.

Поскольку с помощью коэффициента Qb моделируются два рассмотренных выше эффекта, то в свою очередь он зависит от двух других зарядовых коэффициентов и описывается выражением


Случайные файлы

Файл
136458.rtf
184714.doc
112003.rtf
16084.doc
101427.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.