Расчет биполярных транзисторов
Методика расчёта дискретного биполярного транзистора с использованием пакета программ MathCad. Расчёт параметров биполярного транзистора с учётом эффектов высокого уровня легирования, инжекции и Кирка. Выбор топологии кристалла. Проверка базы на прокол.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | учебное пособие |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.10.2013 |
Размер файла | 497,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Рассчитаем напряженность электрического поля в эмиттере, вызванную градиентом концентрации примеси в эмиттере.
Определим напряженность поля на краю эмиттера у ОПЗ, вызванную изменением ширины запрещенной зоны, используя эмпирические константы V1 и Ng [9] .
В, Ng : = 1017 см-3
Результирующую напряжённость силового поля определим как сумму.
Определим подвижности основных и неосновных носителей заряда в зависимости от координаты.
Определим подвижность дырок на участке, отстоящем на две ширины ОПЗ в эмиттере. В дальнейшем необходимо усреднить подвижность на участке, равном эффективной диффузионной длине (величина эффективной диффузионной длины заранее не известна).
Рис. 5. Зависимость подвижности дырок в эмиттере от координаты
На рис. 5 приведена зависимость подвижности дырок в эмиттере от координаты, которая показывает снижение подвижности при приближении к поверхности эмиттера. Это обусловлено ростом концентрации примеси в направлении поверхности (рис. 1).
Рассчитаем средний коэффициент диффузии дырок в эмиттере на границе ОПЗ.
По известным значениям подвижностей электронов и дырок рассчитаем времена жизни в подложке.
с
Рассчитаем время жизни дырок в эмиттере. Необходимо учесть, что при проведении технологических операций время жизни уменьшается на один-два порядка. Зададим это уменьшение величиной c = 0,1. Зависимость времени жизни от концентрации учитывается следующей эмпирической формулой.
Рис. 6. Зависимость времени жизни в эмиттере от координаты
На рис. 6 приведена зависимость времени жизни дырок в эмиттере от координаты. Рассчитаем диффузионную длину дырок в эмиттере.
Рис. 7. Зависимость диффузионной длины дырок в эмиттере от координаты
На рис. 7 приведена зависимость диффузионной длины дырок в эмиттере от координаты.
Рассчитаем фактор электрического поля в эмиттере.
Эффективная диффузионная длина дырок Leff в эмиттере определяется для учёта электрического поля за счёт высокого уровня легирования.
Рассчитаем эффективную концентрацию собственных носителей с учетом уменьшения ширины запрещенной зоны
На рис. 8 приведена зависимость эффективной концентрации собственных носителей в эмиттере от координаты.
Рис. 8. Зависимость эффективной концентрации собственных носителей в эмиттере от координаты
Усредним эффективную концентрацию на диффузионной длине
Определим дырочную составляющую тока насыщения эмиттерного прехода при низком уровне инжекции.
Проведём вычисления, необходимые для учёта эффекта Кирка.
Сущность эффекта Кирка заключается в том, что при большой плотности тока происходит компенсация заряда ионизированных примесей подвижными носителями в части коллекторного перехода, примыкающего к базе. В результате эта часть становится электрически нейтральной. При этом происходит расширение базы в сторону коллектора. Это ведёт к снижению времени пролёта и коэффициента переноса неосновных носителей. Для борьбы с этим эффектом необходимо увеличивать площадь коллекторного перехода (снижать плотность тока в коллекторном переходе).
При сильном увеличении плотности тока база достигает границы n-коллектора и при дальнейшем увеличении проникает в область коллектора. В пределе ширина базы может достигнуть границы подложки. Построим зависимость предельной плотности тока от напряжения (рис. 9).
Рис. 9. Зависимость плотности тока, при которой возникает эффект Кирка, от напряжения для рассчитываемого транзистора
Построим зависимость ширины базы от инжектированного тока. Ширина базы является функцией двух переменных Uкb и Inx. Зависимость считается при постоянном значении Uкb. Для расчёта требуется значение координаты границы коллекторной ОПЗ в базе до проявления эффекта Кирка, которое рассчитывается относительно долго (около 30 с). Поскольку MathCad проводит этот расчёт для каждого нового значения тока, хотя значение этой величины не меняется, то время расчёта оказывается неприемлемо большим. Поэтому будем рассчитывать всего три зависимости ширины базы от тока. Для этого предварительно вычислим соответствующие этим напряжениям координаты границ ak1, ak2 и ak3. Из этого будет следовать, что зависимости коэффициента передачи от тока будут строиться для этих трёх значений напряжения. Величины этих значений выберем на краях и в середине диапазона напряжений, которые могут быть на коллекторе транзистора.
Функция имеет смысл, когда . На рис. 10 приведены зависимости ширины базы от величины тока коллектора при напряжениях коллектор-база 2 и 100 В. При напряжении коллектор-база 2 В и токе коллектора, большем 390 А, ширина электронейтральной базы увеличивается.
Рис. 10. Зависимость ширины базы от тока коллектора: 1 - Ukb = 2 В, 2 - Ukb = 100 В
Время жизни носителей в базе зависит от уровня инжекции. Напомним, что уровень инжекции в базе считают высоким, когда концентрация инжектированных в базу носителей намного превышает равновесную концентрацию основных носителей, равную концентрации легирующей примеси в базе. Ориентировочно уровень инжекции можно оценить по формуле в [5, с. 106]. В работе [9, с.145] в соответствующей формуле нет двойки, и низким уровнем инжекции считается ток примерно в 10 раз меньший, чем граничный.
При высоком уровне инжекции среднее время жизни электронов в базе можно рассчитать по следующей формуле [9, с. 167].
При низком уровне инжекции среднее время жизни электронов в базе можно рассчитать по следующей формуле.
Рассчитаем заряд ионов примесей в базе.
Определим постоянную накопления заряда в базе.
Рассчитаем характеристический ток Ikf.
Определим электронную составляющую тока насыщения эмиттерного перехода при низком уровне инжекции.
Определим статический коэффициент передачи тока базы. Первый член выражения для коэффициента передачи (Ukb, Inx) обусловлен рекомбинационными потерями электронов в объеме базы, второй - дефектом инжекции эмиттера, третий - наличием рекомбинации носителей заряда в ОПЗ эмиттера.
Ukb1 = 2 В, Ukb2 = 50 В, Ukb3 = 1 102 В
Ib1 = 20 10-3 А, Ib2 = 70 10-3 А, Ib3 = 130 10-3 А
Inx : = 0.1,0.2 .. 10
Рис. 11. Зависимость статического коэффициента передачи тока базы от тока коллектора при различных напряжениях коллектор-эмиттер
На рис. 11 приведены зависимости статического коэффициента передачи тока базы от тока коллектора для трёх значений напряжения коллектор-эмиттер 100, 50 и 2 В. Здесь же приведены зависимости Inx/Ib от Inx для трёх значений тока базы 20, 70 и 130 мА. Пересечение каждой из этих зависимостей с зависимостями коэффициента передачи тока базы от тока коллектора даёт значение коэффициента передачи для заданных тока базы и напряжения коллектор-эмиттер.
Спад коэффициента передачи в области малых токов обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера, а в области больших токов - уменьшением коэффициента инжекции.
Выходные характеристики строим, исходя из графического решения.
Рис. 12. Семейство выходных характеристик транзистора: 1 - Ib = 20 мА, 2 - Ib = 70 мА, 3 - Ib = 130 мА
Для приближённой оценки вида семейства выходных вольт-амперных характеристик мы положили напряжение насыщения постоянным (рис.12).
Для более точного расчёта выходных вольт-амперных характеристик необходимо использовать одну из моделей транзистора (Эберса-Молла, Гумеля-Пуна и др.), в которой надо использовать найденные прямой и инверсный коэффициенты передачи тока базы.
Расчет импульсных характеристик
В результате расчёта импульсных характеристик должны быть определены времена включения tvkl и выключения tvikl транзистора в схеме с общим эмиттером. Время включения состоит из времени задержки tzad (практически это время заряда барьерной ёмкости эмиттерного перехода) и времени нарастания tnar тока коллектора. Время выключения состоит из времени рассасывания заряда в базе tras и времени спада tsp. Рассасывание заряда в базе имеет место при работе транзистора в режиме насыщения. Для определения времени нарастания следует усреднить значение барьерной ёмкости эмиттера. Рекомендуется выбирать усреднённое значение Cesr = (1,5 - 2)Ce(0) [8, с.187]. Рассчитаем время задержки при заданном токе базы 0,5 А, полагая, что установившееся значение напряжения на эмиттерном переходе Ue будет равно 0,7 В.
Ue : = 0.7 В, Ibvkl : = 0.5 A
Для определения времени нарастания тока коллектора необходимо знать сопротивление нагрузки Rn и напряжение источника напряжения коллектор-эмиттер. Поскольку они не заданы, примем значение напряжения равным максимальному напряжению коллектор-база. Сопротивление нагрузки найдём, разделив это напряжение на заданный ток коллектора. Кроме этого, для расчёта необходимо знать среднюю ёмкость коллекторного перехода, средний коэффициент передачи тока базы и эффективное время жизни электронов в базе. Если напряжение источника питания намного больше контактной разности потенциалов в коллекторном переходе, то для резкого коллекторного перехода среднее значение ёмкости коллектора принимается в два раза больше ёмкости перехода при напряжении на коллекторе, равном напряжению источника питания [9, с. 189]. Положим, что среднее значение коэффициента передачи соответствует половине заданного значения тока коллектора при напряжении, равном половине максимального на коллекторном переходе. Допустим, что эффективное время жизни электронов в базе равно среднему времени жизни электронов при напряжении коллектор-база, равном половине максимального напряжения.
Определим ток базы Ibn, при превышении которого происходит переход транзистора в режим насыщения.
Этот ток меньше заданного Ibvkl, поэтому транзистор будет работать в режиме насыщения. Определим время нарастания тока и время включения.
Рассчитанное время включения меньше заданной величины 2,5 мкс.
Рассчитаем время выключения транзистора. Поскольку ток базы при выключении Ivikl не задан, положим его равным току базы включения Ivkl.
Вначале определим время рассасывания неравновесного заряда в базе. Рассасывание неравновесных зарядов происходит как в активной, так и в пассивной базе, а также в высокоомной части коллектора. Основную часть рассасываемого заряда составляет заряд дырок в коллекторе [6, с. 153], поскольку концентрация дырок на границе коллекторного перехода существенно выше концентрации электронов на границе коллекторного перехода. Поэтому вначале определим время жизни дырок в коллекторном переходе. Для этого определим подвижность и коэффициент диффузии дырок в коллекторе. Если длина высокоомной части коллектора без области пространственного заряда и запаса под окисление Lk1 больше диффузионной длины дырок Ln в коллекторе, то следует в формуле для расчёта времени рассасывания использовать время жизни дырок в коллекторе. Если нет - то время пролёта дырок.
Поскольку Lk1 < Lp, то рассасывание заряда неравновесных носителей в области коллектора будет определяться временем пролёта дырок ?pr, а не временем жизни p.
Определим время спада [9, с. 192], когда ток коллектора уменьшается до 0,1 своего значения при выключении транзистора.
Рассчитаем время выключения как сумму времён рассасывания и спада.
tvikl : = tras + tsp tvikl = 1.034?10-7 c
Библиографический список
1. Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов: Методические указания к практическим занятиям / Рязан. радиотехн. ин-т.; Сост.: Ю.Н. Кобцева, В.В. Кратенко. Рязань, 1991. 32 с.
2. Расчёт и проектирование полупроводниковых приборов: Методические указания. Ч.1 / Таганрог. радиотехн. ин-т.: Сост. В.Н. Джуплин, А.П. Бояринов. Таганрог, 1991. 39 с.
3. Андреев А.П., Миронов В.А., Чиркин Л.К. Расчёт биполярных транзисторов и тиристоров. Л.: Энергия, 1990. 72 с.
4. Кремниевые планарные транзисторы / В.Г. Колесников и др.; Под ред. Федотова. М.: Сов. радио, 1973. 336 с.
5. Блихер А. Физика полевых и биполярных транзисторов / Пер. с англ.; Под ред. И.В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 286 с.
6. Электронные приборы: Учебник для вузов / В.Н. Дулин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.
7. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы / Пер. с англ. А.Б. Переведенцева; Под ред. В.Д. Вернера. М.: Мир, 1988. 583 с.
8. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем: Учебное пособие для вузов: Под ред. И.П. Степаненко. М.: Радио и связь, 1983. 232 с.
9. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков; Под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.
10. И.П. Степаненко. Основы микроэлектроники. М.: Сов. радио, 1977. 356 с.
11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Ч. 1 / Пер. с англ.; Под ред. Р.А. Суриса. М.: Мир, 1984. 456 с.
Список обозначений
x - координата длины
Ln - диффузионная длина электронов
Lp - диффузионная длина дырок
Lpe - диффузионная длина дырок в эмиттере
Leff - эффективная диффузионная длина дырок в эмиттере
xmk - глубина залегания коллекторного перехода
xme - глубина залегания эмиттерного перехода
Lk - толщина высокоомной области коллектора
Ln0 - толщина эпитаксиального слоя
?L - запас на окисление по толщине эпитаксиального слоя
Wb0 - металлургическая ширина базы
Wpr - ширина базы, обеспечивающая граничную частоту
ae(Uz) - координата начала ОПЗ в эмиттере
be(Uz) - координата начала электронейтральной базы
?e(Uz) - ширина эмиттерной части ОПЗ
ak(Uz) - координата конца электронейтральной базы
bk(Uz) - координата конца ОПЗ в коллекторе
Ze - длина эмиттерной полоски
Zemin - минимально возможная длина эмиттерной полоски
Le - ширина эмиттерной полоски
Lem - ширина металлизации эмиттерной полоски
Lkr - ширина кристалла без учёта дефектной области
Lbm - ширина полоски металлизации базы
dm - зазор между полосками металлизации базы и эмиттера
hm - толщина полоски металлизации
xe - координата границы ОПЗ в эмиттере
Se - площадь эмиттера
Sk - площадь коллектора
Sbebok - площадь боковой поверхности эмиттерного перехода
Uz - напряжение на p-n-переходе с учётом контактной разности потенциалов
Uбэ - напряжение между эмиттером и базой
Ueobr - наибольшее обратное напряжение база-эмиттер
Ukbfg - напряжение коллектор-база, при котором определяется граничная частота
Ubr - напряжение пробоя коллекторного перехода
Ukbmax - максимальное напряжение коллектор-база
Upol - напряжение на полоске эмиттерной металлизации
Ukenas - напряжение насыщения коллектор-эмиттер
Uebnas - напряжение насыщения эмиттер-база
Ue - напряжение на эмиттерном переходе
Ukb - напряжение между коллектором и базой
?t - тепловой потенциал
?k - контактная разность потенциалов на коллекторном переходе
?e - контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе
V1 - эмпирическая константа, имеющая размерность потенциала
Ikmax - максимальный ток коллектора
Ikfg - ток коллектора, при котором определяется граничная частота
Iknas - ток коллектора, при котором определяется напряжение насыщения коллектор-база
Ibnas - ток базы, при котором определяется напряжение насыщения коллектор-эмиттер
Ikvkl - ток коллектора, при котором определяется время включения транзистора
Ibvkl - ток базы, при котором определяется время включения
транзистора
Ipol - ток полоски эмиттерной металлизации
Iemax - максимальный ток эмиттера
Igr - ток эмиттера, при превышении которого имеет место высокий уровень инжекции носителей в базу
Ie - ток эмиттера
Ikf - характеристический ток коллектора, обозначающий границу высокого и низкого уровней инжекции носителей в базу
Ieps - ток насыщения эмиттерного перехода при низком уровне инжекции
Iens - электронная составляющая тока насыщения эмиттера при низком уровне инжекции
Inx - сквозной ток переноса электронов через базу
IR0 - предэкспоненциальный множитель в выражении для тока рекомбинации в эмиттерном переходе
Ib - ток базы
Ik - ток коллектора
Ibn - ток базы, при котором происходит переход в режим насыщения
Ibvikl - ток базы, при котором определяется время выключения транзистора
Jemax - максимальная плотность тока эмиттера
Ck - ёмкость коллекторного перехода
Ckbu - удельная ёмкость коллекторного перехода
Cksr - средняя ёмкость коллекторного перехода
Ce - ёмкость эмиттерного перехода
Cebu - удельная ёмкость эмиттерного перехода
Cesr - средняя ёмкость эмиттерного перехода
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Структура биполярного транзистора, сущность явления инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Распределение примесей в активной области транзистора. Топология биполярного транзистора, входные и выходные характеристики, сопротивление коллектора.
курсовая работа [409,8 K], добавлен 01.05.2014Биполярные транзисторы, режимы работы, схемы включения. Инверсный активный режим, режим отсечки. Расчет h-параметров биполярного транзистора. Расчет стоко-затворных характеристик полевого транзистора. Определение параметров электронно-лучевой трубки.
курсовая работа [274,4 K], добавлен 17.03.2015Модель Эберса-Молла и Гуммеля-Пуна, основанные на суперпозиции нормального и инверсного биполярного транзистора и токовых режимов его работы при инжекции из коллектора. Генераторы тока и их неидеальность в зарядовой модели, резисторные конфликты.
реферат [350,7 K], добавлен 13.06.2009Свойства и возможности усилительных каскадов. Схема каскада с использованием биполярного транзистора, расчет параметров. Семейство статических входных и выходных характеристик. Расчет усилительного каскада по постоянному току графоаналитическим методом.
контрольная работа [235,3 K], добавлен 03.02.2012Рассмотрение пакета Electronics Workbench, проведение исследований. Знакомство с наиболее важными параметрами биполярного транзистора "2N3947". Анализ схемы снятия статистических характеристик. Основные способы увеличения напряжения питания на величину.
контрольная работа [146,8 K], добавлен 22.03.2015Экспериментальное определение характеристики биполярного транзистора в ключевом режиме, являющегося основой импульсных ключей. Измерение коэффициентов коллекторного тока с использованием мультиметра. Вычисление коэффициента насыщения транзистора.
лабораторная работа [33,1 K], добавлен 18.06.2015Транзистор как электронный полупроводниковый усилительный прибор, предназначенный для усиления сигналов. Знакомство с особенностями и сферами применения полевых и биполярных транзисторов. Общая характеристика схем включения биполярного транзистора.
реферат [1,5 M], добавлен 21.05.2016Принцип действия и основные физические процессы в транзисторе. Дифференциальные коэффициенты передачи токов транзистора. Вольт-амперные статические характеристики и параметры. Методика снятия семейства статических характеристики биполярного транзистора.
лабораторная работа [142,9 K], добавлен 08.11.2013Отличия энергетических диаграмм проводников, полупроводников и диэлектриков. Принцип работы биполярного транзистора. Фотодиод: принцип работы, параметры и назначение. Определение параметров биполярных транзисторов, включенных но схеме с обидим эмиттером.
контрольная работа [1,4 M], добавлен 05.07.2014Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы. Устройство и способы включения бипролярного транзистора. Определение напряжения источников питания. Расчёт коллекторной цепи транзисторов оконечного каскада и параметров цепей смещения.
курсовая работа [418,8 K], добавлен 09.08.2010Выбор материала для изготовления транзистора. Расчет полупроводниковой структуры, профиля легирования. Удельные поверхностные сопротивления базового и эмиттерного слоёв. Расчет импульсных характеристик. Технологические процессы при производстве прибора.
дипломная работа [531,8 K], добавлен 14.02.2016Устройство плоскостного биполярного транзистора. Концентрация основных носителей заряда. Схемы включения биполярных транзисторов. Статические характеристики биполярных транзисторов. Простейший усилительный каскад. Режимы работы и область применения.
лекция [529,8 K], добавлен 19.11.2008Физико-топологическая модель как модель расчета электрических параметров. Расчет распределения концентрации акцепторной и донорной примеси, скорости диффузии, расчет остальных параметров биполярного транзистора. Определение напряжения лавинного пробоя.
реферат [433,1 K], добавлен 12.06.2009Модели биполярного транзистора в программе схемотехнического анализа PSpice. Представление уравнений, описывающих статические и электрические характеристики преобразователя. Зависимость параметров полупроводникового прибора от температуры и площади.
курсовая работа [510,2 K], добавлен 01.11.2010Практические навыки схемного введения биполярного транзистора в заданный режим покоя. Определение основных свойств транзистора в усилительном и ключевых режимах. Овладение методикой работы в учебной лаборатории в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
лабораторная работа [1,3 M], добавлен 04.03.2015Возможности применения компьютерного моделирования для изучения характеристик традиционных полупроводниковых приборов. Схемы исследования биполярного транзистора методом характериографа, а также моделирование характеристик однопереходного транзистора.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 28.04.2013Исследование статических характеристик биполярного транзистора, устройство и принцип действия. Схема включения p-n-p транзистора в схеме для снятия статических характеристик. Основные технические характеристики. Коэффициент обратной передачи напряжения.
лабораторная работа [245,9 K], добавлен 05.05.2014Описание характеристик транзистора. Построение практической схемы каскада с общим эмиттером. Выбор режима работы усилителя. Алгоритм расчета делителя в цепи базы, параметров каскада. Оценка нелинейных искажений каскада. Выбор резисторов и конденсаторов.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 03.03.2014Расчет номинальных значений резисторов однокаскадного усилителя. Построение передаточной характеристики схемы на участке база-коллектор биполярного транзистора. Принципиальная электрическая схема усилителя, схема для нахождения потенциалов на эмиттере.
курсовая работа [975,5 K], добавлен 13.01.2014Исследование полупроводниковых диодов. Изучение статических характеристик и параметров биполярного плоскостного транзистора в схеме с общим эмиттером. Принцип действия полевого транзистора. Электронно-лучевая трубка и проверка с ее помощью радиодеталей.
методичка [178,3 K], добавлен 11.12.2012