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.

Поэтому естественным шагом является введение в модель зависимого источника выходного тока αI_э, ток которого пропорционален входному току I_э, 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 α_iI_к, 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 >> α_i), 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.

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 R_э, как сопротивление наиболее сильно легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Наибольшее влияние оказывает сопротивление базы R_б, 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 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 Эберса- Молла (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= I_к/I_б. 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.