Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

Аннотация

Данная выпускная работа посвящена применению компьютерных программ моделирования для изучения полупроводниковых приборов и структур, влияния режимов работы и внешних факторов на их основные электрические характеристики. Данный метод исследования выбран по причине того, что он обеспечивает изучение широкого класса и большого количества типономиналов приборов. Он является безопасным (используются математические уравнения, описывающие работу различных полупроводниковых приборов) и оперативным методом их изучения и исследования. Разновидности исследованных структур включают как полную структуру прибора, так и отдельные элементы его структуры (барьерную ёмкость электронно-дырочного перехода, диффузионный резистор полупроводниковой интегральной микросхемы). Большое внимание было уделено разработке компьютерного аналога лабораторной работы по исследованию биполярного транзистора (с использованием метода характериографа для получения его выходных вольт-амперных характеристик). Разработаны два варианта характериографа - с использованием цифрового устройства (ТТЛ счётчика - К155ИЕ5 (74193)) формирования входных токов транзистора и коммутатора входных токов с использованием аналогового ключа на основе микросхемы К590КН6. В отличие от первой схемы, с помощью которой можно исследовать только p-n-p транзисторы, вторая схема позволяет исследовать p-n-p и n-p-n транзисторы. Также были разработаны сугубо компьютерные способы изучения основных электрических характеристик полупроводниковых приборов и структур, таких как полупроводниковые диоды (выпрямительные, стабилитроны), биполярные и полевые транзисторы, транзисторная оптопара, однопереходные транзисторы, тиристоры, IGBT-транзисторы, транзистор Дарлингтона, варикап, варистор, термистор. Приведены схемы и результаты моделирования их работы. Всего было разработано и исследовано 35 схем моделирования полупроводниковых приборов и структур.

Введение

В данной работе исследуются возможности применения компьютерного моделирования для изучения характеристик традиционных полупроводниковых приборов. Эта работа фактически позволяет заменить существующие лабораторные работы их компьютерными аналогами, а широкая база имеющихся библиотек электронных компонентов - существенно разнообразить учебные исследования. Имеющиеся библиотеки электронных компонентов позволили даже вернуться к изучению таких приборов как, например варисторы, термисторы, а также добавить к уже существующим в учебном классе лабораторным работам исследования IGBT транзисторов, однопереходных транзисторов и т.д.

Особо стоит отметить то, что впервые с учебной целью было осуществлено цифро-аналоговое моделирование электронных схем, в частности разработана схема характериографа исследования биполярного транзистора как n-p-n, так и p-n-p структуры.

В работе приводится описания схем и режимов моделирования, основных статических и динамических характеристик нелинейных полупроводниковых приборов.

1. Схемы исследования биполярного транзистора методом характериографа

Метод характериографа при исследовании вольт-амперных характеристик биполярного транзистора позволяет наглядно продемонстрировать зависимости, что облегчает процесс обучения. Разработаны два варианта характериографа - с использованием цифрового устройства (ТТЛ счётчика - К155ИЕ5 (74193)) формирования входных токов транзистора и коммутатора входных токов с использованием аналогового ключа на основе микросхемы К590КН6. В отличие от первой схемы с помощью, которой можно исследовать только p-n-p транзисторы, вторая схема позволяет исследовать p-n-p и n-p-n транзисторы.

1.1 Схема на основе синхронного 4-разрядного двоичного счетчика с двойной синхронизацией К155ИЕ5 (74193)

Данная схема позволяет получить на экране характериографа одновременно 8 зависимостей тока коллектора от базового тока. Схема построена для исследования выходных вольт-амперных характеристик транзистора n-p-n. Далее приведена схема устройства, перечень и описание её элементов, а также графики токов и напряжений в ключевых узлах схемы и пояснения к ним. Схема разделена на две части, схему формирования токов базы исследуемого транзистора и схему формирования напряжения коллектора исследуемого транзистора. В части, формирующей токи базы исследуемого транзистора, ключевую роль играет цифровой счётчик К155ИЕ5. Три из четырёх его выходов присоединены через резисторы различных номиналов, отличающихся в 2 раза (400, 800 и 1600 кОм) к базе исследуемого транзистора, таким образом, мы получаем три различных тока на выходе. В итоге при работе счётчика мы получаем семь (если не считать нулевой ток) различных уровней базового тока путём сложения во всех возможных комбинациях трёх вышеописанных токов. Вторая часть схемы представляет собой цепочку из трёх операционных усилителей формирующих пилообразное развёртывающее напряжение на коллекторе исследуемого транзистора. Подробнее работа этих операционных усилителей с графиками выходных напряжений описана ниже в пункте 1.1.3. Обе части схемы питаются от разных источников синусоидального напряжения, что связано с особенностями компьютерного моделирования. Таким образом, мы получаем семь различных токов базы исследуемого транзистора и линейно увеличивающееся напряжение на коллекторе. Сняв зависимость коллекторного тока исследуемого транзистора от напряжения на коллекторе, мы получим семь кривых коллекторного тока (выходных характеристик) исследуемого транзистора в зависимости от различных токов базы.

Рис. 1. Схема исследования биполярного транзистора методом характериографа на основе цифрового счётчика К155ИЕ5

1.1.1 Описание элементов

V3 и V5 - источники синусоидального напряжения;

D1 (D5SBA60/SDG) - двухполупериодный диодный мост;

D2 (1N4376) и C1 - диод и фильтрующий конденсатор, выпрямляют напряжение, подаваемое с диодного моста;

R6 и D10 (BZ-056) - параметрический стабилизатор напряжения 5 вольт;

С3 - фильтрующий конденсатор;

Q1 (Q2N4064), R7 и R8 - формируют импульсы, подаваемые на 5й вывод счётчика 74193, необходимые для его счёта в прямом направлении;

DSTM2 - цифровой счётчик, через 20 мс после включение схемы формирует сигнал на сброс, который включает счётчик;

74193 - синхронный 4-разрядный двоичный счетчик (описание приведено ниже);

R9, R3, R4 - резисторы со специально подобранными номиналами (400 кОм, 800 кОм, 1.6 Мом), позволяют формировать разные уровни токов базы транзистора Q3;

D5, D6, D7 - диоды, уменьшают взаимное влияние базовых токов;

U4B - операционный усилитель, формирует прямоугольный сигнал из синусоидального за счёт большого коэффициента усиления;

U3A - операционный усилитель, является интегрирующим и из прямоугольного сигнала формирует пилообразный сигнал;

U5A - операционный усилитель, является инвертирующим и формирует напряжение коллектора исследуемого транзистора Q3. Буферный элемент, исключает влияние транзистора Q3 на источник развертывающего пилообразного напряжения;

Q3 (Q2N2222) - исследуемый транзистор. В базу подаются дискретизированные по уровням токи, на коллектор подаётся пилообразное напряжение развёртки;

R5 - резистор, с которого снимается напряжение, пропорциональное току коллектора (реально току эмиттера).

Основные параметры и характеристики синхронного 4-разрядного двоичного счетчика с двойной синхронизацией К155ИЕ5 (74193)

Микросхема представляет собой двоичный счетчик. Каждая ИС состоит из четырех JK-триггеров, образуя счетчик делитель на 2, 4 и 8. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и одновременно возвращают все триггеры в состояние низкого уровня (на входы R0 (1) и R0 (2) подается высокий уровень). Выход Q1 не соединен с последующими триггерами. Если ИС используется как четырехразрядный двоичный счетчик, то счетные импульсы подаются на С1, а если как трехразрядный-то на вход С2. Корпус К155ИЕ5 типа 201.14-1. Зарубежные аналоги 74193, SN7493N, SN7493J.

Таблица 1. Электрические параметры счётчика

1	Номинальное напряжение питания	5 В 5%
2	Выходное напряжение низкого уровня при Uп=4,75 В	не более 0,4 В
3	Выходное напряжение высокого уровня при Uп=4,75 В	не менее 2,4 В
4	Напряжение на антизвонном диоде при Uп=4,75 В	не менее 1,5 В
5	Входной ток низкого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -1,6 мА
6	Входной ток низкого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более -3,2 мА
7	Входной ток высокого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -0,04 мА
8	Входной ток высокого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более 0,08 мА
9	Ток входного пробивного напряжения по входам установки в 0 и счетным входам С1 и С2	не более 1 мА
10	Ток потребления	не более 53 мА
11	Время задержки распространения при включении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
12	Время задержки распространения при выключении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
13	Ток короткого замыкания приUп=5,25 В	-18…57 мА

Таблица 2. Предельно допустимые режимы эксплуатации

1	Напряжение питания	не более 6 В
2	Минимальное напряжение на входе	-0,4 В
3	Максимальное напряжение на входе	5,5 В
4	Минимальное напряжение на выходе	-0,3 В
5	Максимальное напряжение на выходе закрытой ИС	5,25 В
6	Температура окружающей среды К155ИЕ5	-10…+70° C

Рис. 2. Схема подключения синхронного 4-разрядного двоичного счетчика 74193



Рис. 3. Функциональная схема

Рис. 4. Условное графическое обозначение: 1 - вход счетный С2; 2 - вход установки 0 R0 (1); 3 - вход установки 0 R0 (2); 4,6,7,13 - свободные; 5 - напряжение питания +Uп; 8 - выход Q3; 9 - выход Q2; 10 - общий; 11 - выход Q4; 12 - выход Q1; 14 - вход счетный C1

Основные параметры и характеристики двухполупериодного диодного моста D5SBA60

Таблица 3. Технические характеристики диодного моста

Пиковое обратное напряжение:	600 V
Максимальный ток перегрузки:	120 A
Падение напряжения в прямом направлении:	1.05 V
Максимальный обратный ток утечки:	10 uA
Максимальная рабочая температура:	+ 150 C
Длина:	30 mm
Ширина:	4.6 mm
Высота:	20 mm
Вид монтажа:	Through Hole

Основные параметры и характеристики низкочастотного n-p-n транзистора

2N4064

Material of transistor: Si

Polarity: n-p-n

Maximum collector power dissipation (Pc): 10W

Maximum collector-base voltage (Ucb): 300V

Maximum collector-emitter voltage (Uce): 250V

Maximum emitter-base voltage (Ueb): 7V

Maximum collector current (Ic max): 1A

Maximum junction temperature (Tj): 200°C

Transition frequency (ft): 15MHz

Collector capacitance (Cc), Pf: 10

Forward current transfer ratio (hFE), min/max: 40MIN

Manufacturer of 2N4064 transistor: RCA

Package of 2N4064 transistor: TO131

Основные параметры и характеристики n-p-n транзистора Q2N2222

Category	Discrete Semiconductor Products
Family	Transistors (BJT) - Single
Series	-
Transistor Type	NPN
Current - Collector (Ic) (Max)	600mA
Voltage - Collector Emitter Breakdown (Max)	40V
Vce Saturation (Max) @ Ib, Ic	1V @ 50mA, 500mA
Current - Collector Cutoff (Max)	10nA
DC Current Gain (hFE) (Min) @ Ic, Vce	100 @ 150mA, 10V
Power - Max	625mW
Frequency - Transition	300MHz
Mounting Type	Through Hole
Package / Case	TO-226-3, TO-92-3 (TO-226AA)
Supplier Device Package	TO-92-3

1.1.2 Формирование токов базы транзистора Q3

Далее приведены графики, поэтапно показывающие, как формируются семь различных токов базы для исследуемого транзистора Q3.

Рис. 5. Напряжение на стабилитроне D10 (5 вольт)

Рис. 6. Напряжение на коллекторе транзистора Q1

Рис. 7. Напряжение на коллекторе транзистора Q1 в большем масштабе

Транзистор Q1 формирует импульсы, подаваемые на 5й (счетный) вход счётчика 74193.

Рис. 8. Напряжения, подаваемые на входы счётчика 74193

Рис. 9. Цифровые сигналы на выходе счётчика 74193

Рис. 10. Напряжения на резисторах R3, R4, R9.

Рис. 11. Токи базы транзистора Q3

1.1.3 Формирование напряжения на коллекторе

Далее приведены графики, поэтапно показывающие, как формируется развёртывающее напряжение коллектора для исследуемого транзистора Q3. Операционный усилитель U4B формирует прямоугольный сигнал из синусоидального напряжения за счёт большого коэффициента усиления. ОУ U3A является интегрирующим и из прямоугольного сигнала формирует пилообразный сигнал. ОУ U5A является инвертирующим и формирует напряжение коллектора исследуемого транзистора Q3.



Рис. 12. Графики выходных напряжений операционных усилителей U3A, U4B и U5A.

Рис. 13. Токи коллектора и эмиттера транзистора Q3

Рис. 14. Напряжение на эмиттере транзистора Q3

Рис. 15. График выходной вольт-амперной характеристики транзистора Q3 при разных токах базы

1.2 Схема на основе аналогового коммутатора К590КН6

Для транзистора p-n-p следует сформировать базовые токи другого направления (вытекающие из транзистора) и для подобной схемы вместо счётчика К155ИЕ5 (74193) используется аналоговый коммутатор К590КН6 (ADG408B), в прочем работу самого аналогового коммутатора обеспечивает тот же самый счётчик К155ИЕ5. Принципиальная схема данного формирователя представлена на рис. 16.

Рис. 16. Схема исследования биполярного транзистора методом характериографа на основе микросхемы К590КН6

1.2.1 Описание элементов

Основные параметры и характеристики восьмиканального аналогового коммутатора с дешифратором К590КН6

Микросхемы К590КН6 (зарубежный аналог ADG408B) представляют собой восьмиканальный аналоговый коммутатор с дешифратором и предназначены для коммутации цифровых и аналоговых сигналов в системах сбора и обработки информации, АЦП и ЦАП. Эти схемы совместимы со схемами ТТЛ.

Содержат 230 интегральных элементов.

Корпус типа 402.16-18, масса не более 2 г.

Напряжение питания: ±15 ±10% В.

Рабочая температура: -60…+85°С.

Rк=300 Ом; Uк=15 В; Tв=300 нс

Основные параметры биполярного p-n-p транзистора BF821

Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si)

Pc max Ucb max Uce max Ueb max Ic max Tj max Ft max Cc tip Hfe	310 mW 300V 300V 5V 50 mA 150°C 60 MHz - 50 MIN

Характеристики остальных элементов уже были приведены при описании первой схемы моделирования на основе счётчика К155ИЕ5.

1.2.2 Формирование токов базы транзистора Q8

Восьмиканальный аналоговый коммутатор К590КН6 по очереди коммутирует токи с каждого из 8 своих входов на базу транзистора Q8. Имея постоянное напряжение на всех входах коммутатора и 8 специально подобранных по номиналу резисторов, мы получаем 8 различных уровней тока базы, возрастающих каждый раз в два раза. Индуктивность L1 отфильтровывает часть нежелательных выбросов, возникающих при переключении аналогового коммутатора. Переключение же самого аналогового ключа обеспечено цифровым счётчиком К155ИЕ5, описание которого уже было приведено выше.

Рис. 17. Токи базы транзистора Q8

1.2.3 Формирование напряжения на коллекторе

Часть схемы формирования пилообразного напряжения на коллекторе исследуемого транзистора Q3 идентична соответствующей части схемы с использованием цифрового счётчика К155ИЕ5 и подробно описана выше в пункте 1.1.3.

2. Моделирование характеристик биполярных транзисторов

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

2.1 Статические характеристики биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой

Рис. 18. Схема моделирования биполярного p-n-p транзистора с общей базой

2.1.1 Входные характеристики

Параметры моделирования:

DC LIN I_I1 0 10m 0.001m

STEP V_V1 LIST 0 100

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 19. Входная характеристика биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой

Как видно из графика, с ростом коллекторного напряжения уменьшается падение напряжения на эмиттерном переходе, что свидетельствует о наличии отрицательной обратной связи по постоянному напряжению.

2.1.2 Выходная характеристика

Параметры моделирования:

DC LIN V_V1 -1 20 0.01

STEP I_I1 LIST 1m 2m 3m 4m 5m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 20. Выходная ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой

Начальный участок графика (V1<0) соответствует режиму насыщения транзистора, а область неизменного тока коллектора - активному режиму работы.

2.2 Статические характеристики биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером

Рис. 21. Схема моделирования выходных ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером

2.2.1 Выходная характеристика

Параметры моделирования:

DC LIN V_V1 0 20 0.01

STEP I_I1 LIST 0 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 22. Выходная ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером

Виден заметный наклон характеристик в области активного режима работы транзистора, что связано с зависимостью коэффициента передачи транзистора по току от напряжения на коллекторе из-за модуляции толщины базовой области транзистора коллекторным напряжением.

2.2.2 Характеристика обратной связи

Параметры моделирования:

DC LIN V_V1 0.001 400m 0.0001

STEP I_I1 LIST 0.1m 0.3m 0.5m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 23. График характеристики обратной связи по напряжению биполярного p-n-p транзистора

Из графика видно, что в схеме с общим эмиттером обратная связь по напряжению положительная.

2.2.3 Характеристика прямой передачи

Параметры моделирования:

DC LIN I_I1 10u 500u 0.01u

STEP V_V1 LIST 1 10

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 24. График зависимости коэффициента передачи по току от рабочего тока при разных коллекторных потенциалах биполярного p-n-p транзистора

При малых токах базы коэффициент передачи нарастает с ростом током базы, что связано с появлением электрического поля в базе. Спад же при больших токах базы связан с эффектом Федотова-Кирка (возрастание толщины базы в биполярном транзисторе с ростом тока коллектора при неизменном напряжении на коллекторе, вызванное уменьшением размера области пространственного заряда коллекторного перехода из-за увеличения концентрации неосновных носителей в базе при больших токах коллектора).

2.3 Частотные характеристики

Помимо моделирования частотных свойств схемы с общим эмиттером из моделирования этой же схемы можно также получить и частотные свойства схемы с общей базой.

Рис. 25. Схема моделирования частотных свойств биполярного p-n-p транзистора

2.3.1 В схеме с общей базой

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 20Meg

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 26. Частотная зависимость коэффициента передачи биполярного p-n-p транзистора при разных токах базы в схеме с общей базой

С ростом частоты растёт шунтирующее действие барьерных ёмкостей p-n перехода и в токе эмиттера возрастает не связанная с усилительными свойствами транзистора ёмкостная составляющая тока эмиттера, поэтому усилительные свойства транзистора ухудшаются. С ростом тока базы усиливается действие поля, создаваемого подвижными носителями заряда, ускоряющее движение неосновных носителей заряда. Вследствие этого время пролёта через базу уменьшается, уменьшается рекомбинация в базе и до коллектора доходит большее число неосновных носителей заряда.

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 20Meg

STEP V_V1 LIST 1 5 20

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 27. Частотная зависимость коэффициента передачи по току биполярного p-n-p транзистора при разных напряжениях коллектора в схеме с общей базой

При увеличении напряжения на коллекторе расширяется коллекторный переход, т.е. уменьшается толщина нейтральной базы, что приводит к увеличению коэффициента передачи.

2.3.2 В схеме с общим эмиттером

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 20Meg

STEP I_I1 LIST 10u 20u 50u

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 28. Частотная зависимость коэффициента передачи тока базы в зависимости от выбора рабочей точки (постоянной составляющей тока базы) в схеме с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером проявляются те же эффекты, что и в схеме с общей базой. Поэтому влияние рабочих токов и коллекторного напряжения подобны ранее приведённым.

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 20Meg

STEP V_V1 LIST 1 5 20

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»



Рис. 29. Частотная зависимость коэффициента передачи при разных напряжениях коллектора в схеме с общим эмиттером

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 20Meg

STEP V_V1 LIST 1 5 20

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 30. Частотная зависимость коэффициентов передачи в схемах с общей базой и общим эмиттером

Из графика видно, что частотные свойства биполярного транзистора хуже в схеме с общим эмиттером. Различия в частотных свойствах связаны с тем, что в отличие от схемы с общей базой схеме с общим эмиттером чувствует фазовый сдвиг между токами, в то время как схема с общей базой чувствительна только к амплитудам токов.

2.4 Импульсные характеристики

2.4.1 В схеме с общей базой

Параметры моделирования:

TRAN 0 0.5u 0 0.001u

STEP PARAM Ie LIST 10m 100m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 31. Схема моделирования работы биполярного транзистора на импульсах

Рис. 32. График зависимости тока коллектора как функции времени при разных токах эмиттера

С ростом тока эмиттера возрастает количество инжектированных в базу транзистора неосновных носителей заряда, что увеличивает время их рассасывания.

2.4.2 В схеме с общим эмиттером

Параметры моделирования:

STEP PARAM qwe LIST 500u 1m 2m 5m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 33. Схема моделирования импульсных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Рис. 34. Импульсные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

С ростом тока базы возрастает количество инжектированных в базу транзистора неосновных носителей заряда, что увеличивает время их рассасывания. Как видно из рисунка в режиме насыщения коллекторный ток не зависит от тока базы.

Параметры моделирования:

TRAN 0 9u 0 0.001u

TEMP -60 27 125

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 35. Зависимость импульсных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером от температуры

С ростом температуры увеличивается время жизни неосновных носителей заряда что приводит к увеличению времени рассасывания накопленного заряда, т.е. к снижению быстродействия транзистора.

2.4.3 Схема с диодом Шоттки

Диод Шоттки - это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником.

Рис. 36. Схема моделирования биполярного транзистора с диодом Шоттки

Параметры моделирования:

TRAN 0 9u 0 0.01u

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Диод Шоттки шунтирует коллекторный переход транзистора, уменьшая степень (глубину) насыщения, что увеличивает быстродействие импульсной схемы при её выключении.

Рис. 37. Импульсные свойства биполярного транзистора с диодом Шоттки

2.5 Режимные зависимости усилительных свойств транзистора

Рис. 38. Схема моделирования режимных зависимостей биполярного транзистора в схеме с общей базой

Параметры моделирования:

DC LIN I_I1 10u 10m 0.1u

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 39. Зависимости альфа и бета биполярного транзистора от тока базы при разных U коллектора

2.6 Режимные зависимости динамических свойств транзистора

Параметры моделирования:

TRAN 0 9u 0 0.01u

STEP V_V1 LIST 5 10 15 20

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 40. Схема моделирования импульсных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Рис. 41. Режимные зависимости импульсных свойств биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Из графика видно, что время рассасывания уменьшается с увеличением напряжения на коллекторе, т.к. уменьшается толщина базы и в ней накапливается меньший заряд.

3. Моделирование характеристик транзистора Дарлингтона

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) - объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току. Такой транзистор используется в схемах, работающих с большими токами (например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадов усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. До появления полевых транзисторов этот транзистор использовался в двух основных назначениях: как элемент с высоким входным сопротивлением и как элемент с большим коэффициентом усиления по току.

Рис. 42. Схема моделирования входных, выходных и частотных характеристик транзистора Дарлингтона

3.1 Входная характеристика

Параметры моделирования:

DC LIN I_I1 0 0.5m 0.01m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»



Рис. 43. Входные характеристики транзистора Дарлингтона при разных напряжениях коллектора

Как видно из рисунка входное напряжение складывается из двух падений напряжений на эмиттерных переходах транзистора.

3.2 Выходная характеристика

Параметры моделирования:

DC LIN V_V1 0 20 0.01

STEP I_I1 LIST 0 0.2m 0.25m 0.3m 0.35m 0.4m 0.45m 0.5m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 44. Выходные характеристики транзистора Дарлингтона при разных токах базы

Как видно из графика у транзистора Дарлингтона выходная ВАХ начинается не с нулевого значения напряжения в отличие от обычного биполярного транзистора.

3.3 Частотные свойства

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 2Meg

STEP V_V1 LIST 10 20 30

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 45. Частотная зависимость тока транзистора Дарлингтона при разных напряжениях коллектора

С увеличением напряжения на коллекторе, частотные свойства транзистора Дарлингтона практически не изменяются. В тоже время заметно существенное ухудшение частотных свойств транзистора Дарлингтона (из-за последовательного включения двух транзисторов) по сравнению с обычным биполярным транзистором.

Параметры моделирования:

AC LIN 1000 10 2Meg

STEP I_I1 LIST 100u 500u 1000u

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»



Рис. 46. Частотная зависимость выходного тока транзистора Дарлингтона при разных входных токах

Как видно из графика граничная частота практически не изменяется с изменением входного тока, в то время как статический коэффициент усиления изменяется существенно, что хорошо заметно на графике токовой зависимости статического коэффициента усиления по току от тока базы приведённым ниже.

Параметры моделирования:

DC LIN I_I1 0.1u 5000u 0.1u

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 47. График токовой зависимости статического коэффициента усиления по току от тока базы транзистора Дарлингтона

Из данного графика видна более существенная зависимость усилительных свойств транзистора от выбора рабочей точки.

4. Моделирование характеристик однопереходного транзистора

Однопереходный транзистор (ОПТ) - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и тремя выводами, переключающие и усилительные свойства которого обусловлены модуляцией сопротивления базы в результате инжекции в неё неосновных носителей заряда.

Основой транзистора является кристалл полупроводника (например n-типа), который называется базой. На концах кристалла имеются омические контакты Б1 и Б2, между которыми располагается область, имеющая выпрямляющий контакт Э с полупроводником p-типа, выполняющим роль эмиттера.

Усилительные и переключающие свойства ОПТ обусловлены изменением сопротивления базы в результате инжекции в неё неосновных носителей заряда.

Принцип действия однопереходного транзистора удобно рассматривать, воспользовавшись эквивалентной схемой, где верхнее сопротивление и нижнее сопротивление - сопротивления между соответствующими выводами базы и эмиттером, а Д - эмиттерный р-п переход.

Ток, протекающий через сопротивления и , создаёт на первом из них падение напряжения, смещающее диод Д в обратном направлении. Если напряжение на эмиттере Uэ меньше падения напряжения на сопротивлении - диод Д закрыт, и через него течёт только ток утечки. Когда же напряжение Uэ становится выше напряжения на сопротивлении , диод начинает пропускать ток в прямом направлении. При этом сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока в цепи Д-, что в свою очередь, вызывает дальнейшее уменьшение сопротивления . Этот процесс протекает лавинообразно. Сопротивление уменьшается быстрее, чем увеличивается ток через р-n переход, в результате на вольт-амперной характеристике однопереходного транзистора, появляется область отрицательного сопротивления. При дальнейшем увеличении тока зависимость сопротивления от тока через р-n переход уменьшается, и при значениях больших некоторой величины Iвыкл сопротивление не зависит от тока (область насыщения).

При уменьшении напряжения смещения Uсм вольт-амперная характеристика смещается влево и при отсутствии его обращается в характеристику открытого р-n перехода. Если посмотреть на кривую на графике зависимости тока эмиттера однопереходного транзистора напряжения (см. рисунок (a)), видно, что напряжение VE поднимается, ток IЕ возрастает до значения IP в точке включения. За пределами точки включения, ток возрастает, а напряжение падает в области отрицательного сопротивления. Напряжение становится минимальным в так называемой точке впадины. Сопротивление RB1, - сопротивление насыщения, - будет наименьшим в точке впадины.

Рис. 48. Схема для моделирования ВАХ однопереходного транзистора

Параметры моделирования:

DC LIN I_I1 0 100mA 0.001mA

TEMP -60 125

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 49. ВАХ однопереходного транзистора

На рисунке хорошо виден падающий участок - участок отрицательного дифференциального сопротивления.

5. Моделирование характеристик тиристоров

Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

5.1 Триодный тиристор

Триодный тиристор (тринистор) - это тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод.

Рис. 50. Схема моделирования триодного тиристора

Параметры моделирования:

DC LIN I_I2 0 10m 0.001m

STEP I_I1 LIST 0 1m 5m 10m 12m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 51. График ВАХ триодного тиристора

С ростом тока управляющего электрода уменьшается напряжение включения.

5.2 Симметричный триодный тиристор

Симметричный триодный тиристор (триак) - это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях.

5.2.1 Фазовое (временное) регулирование

Параметры моделирования:

TRAN 0 20ms 0 0.001ms

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 52. Схема моделирования симистора

Рис. 53. График тока через симистор

На графике заметно изменение времени открытого состояния тиристора с изменением тока управляющего электрода.

Параметры моделирования:

TRAN 0 15ms 0 0.001ms

STEP I_I1 LIST -10m 0 10m

PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))

INC»..\SCHEMATIC1.net»

Рис. 54. График напряжения на симисторе при подаче на него синусоидального напряжения промышленной частоты

Два последних рисунка иллюстрируют работу симистора в качестве регулятора мощности переменного тока.

Выводы

Данная работа показала, что компьютерное моделирование является мощным современным методом исследования характеристик полупроводниковых приборов. В качестве достоинств данного метода можно отметить безопасность моделирования, быстроту, а большая база электронных элементов позволяет разнообразить учебный процесс. Данные наработки по моделированию можно использовать при построении физических аналогов лабораторных макетов исследованных полупроводниковых приборов.

Список литературы

моделирование полупроводниковый транзистор характериограф

1. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулишова. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. - Москва: Радио и связь, 1989.

2. Егоров А.В. Выпускная квалификационная работы бакалавра. Тема: Разработка электронных схем лабораторного макета «Исследование статических характеристик биполярного транзистора».

3. А.В. Нефедов. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Том 2. - М.:ИП РадиоСофт, 1998 г. - 640 с.: ил.

4. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги Справочник. - «НТЦ Микротех», 1998 г., 376 с.

5. Программный пакет Cadence OrCAD Capture

6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебное пособие. 8-е изд., испр. - СПб.: Изд. «Лань», 2006 г. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru