Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

8.4 Ёмкостные свойства диода

Прямое моделирование ёмкостных свойств диода в программе Cadance OrCaD Capture невозможно, однако можно предложить простой способ определения барьерной ёмкости по изменению обратного тока при воздействии импульсного сигнала.

I_{с бар}=С_бар*(dU/dt)

Отсюда C_бар= I_{с бар}/(dU/dt). Если U=k*t то

С_бар= I_{с бар}/k.

Рис. 85. Схема моделирования ёмкостных свойств диода

Параметры моделирования:

.TRAN 0 0.9ms 0.001ms

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"



Рис. 86. График зависимости барьерной ёмкости от напряжения.

Как видно из графика, ёмкость уменьшается с ростом обратного напряжения смещения на диоде из-за расширения электронно-дырочного перехода.

По результатам расчета определяется Fi контактная и характер распределения примесей (линейный p-n переход либо резкий p-n переход). Как видно из графика, ближе к линейной зависимости график функции 1/C_бар^3, т.е. можно сделать вывод что исследованный диод имеет линейное распределение примесей. Перенесение этой функции с осью абсцисс даёт значение контактной разности потенциалов 0.7 В.

Рис. 87. Графики зависимости от напряжения 1/С_бар^2 и 1/С_бар^3



Возможны и другие способы определения С_бар по результатам исследования резонансных частот параллельного или последовательного резонансного контура в котором в качестве ёмкости используется барьерная ёмкость p-n перехода.

8.5 Стабилитрон как формирователь прямоугольных импульсов

Полупроводниковый стабилитрон - это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

Рис. 88. Схема использования стабилитрона как формирователя прямоугольных разнополярных импульсов

Параметры моделирования:

.TRAN 0 4m 0

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"



Рис. 89. Разнополярные напряжения прямоугольной формы, сформированные с помощью стабилитрона



9. Моделирование характеристик варикапа

Варикап - это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Рис. 90. Схема моделирования частотных свойств последовательного резонансного контура с варикапом

Параметры моделирования:

.AC LIN 5000 6meg 20meg

.STEP PARAM qwe LIST 1 5 10

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

Рис. 91. Зависимость резонансной частоты последовательного контура с варикапом от напряжения смещения

С изменением напряжения смещения изменяется ёмкость варикапа и как следствие этого - резонансная частота контура.

10. Моделирование характеристик диффузионного резистора

В полупроводниковых интегральных микросхемах на биполярных структурах в качестве резисторов часто используются проводящие области полупроводника помещённые, в изолированных с помощью p-n перехода областях. Наличие изолирующего p-n перехода с его барьерной ёмкостью будет сказываться на значении сопротивления при работе на переменном сигнале, особенно в области высоких частот из-за шунтирующего действия ёмкостного сопротивления p-n перехода. На рис. 92 приведены эквивалентные схемы диффузионного резистора состоящего из 1, 3, 5 и 10 Т-образных RC звеньев.

Рис. 92. Эквивалентные схемы моделирования диффузионного резистора состоящего из 1, 3, 5 и 10 Т-образных RC звеньев.



Параметры моделирования:

.AC LIN 5000 1 10meg

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

Рис. 93. Зависимость сопротивления диффузионного резистора от частоты при использовании эквивалентных схем, состоящих из различного числа звеньев

Из рисунка видно, что использование эквивалентной схемы состоящей из трёх звеньев уже даёт довольно точные результаты моделирования.



11. Моделирование характеристик транзисторной оптопары

Оптопара - это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприёмного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

Транзистор, реагирующий на облучение световым потоком и способный одновременно усиливать фототок, называют фототранзистором.

Рис. 94. Схема для моделирования ВАХ фототранзистора на основе транзисторной оптопары

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0 15 0.01

.STEP I_I1 LIST 0 5mA 10mA 50mA 100m

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"



Рис. 95. График зависимости тока коллектора от напряжения на коллекторе транзисторной оптопары

Как видно из графика, с увеличением тока светодиода, возрастает и ток коллектора.



12. Моделирование характеристик фотоэлемента

Полупроводниковый фотоэлемент - это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.

Схема для моделирования характеристик фотоэлемента на основе транзисторной оптопары

Параметры моделирования:

.DC LIN I_I1 0 100m 0.01m

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

Рис. 96. График генерированных фото ЭДС p-n переходами фототранзистора

В транзисторе уровни легирования эмиттера и коллектора различные, поэтому коллекторный и эмиттерный переходы имеют различные разности потенциалов что и приводит к отличию генерированных p-n переходами ЭДС.



13. Моделирование характеристик варистора

Варистор - это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

Нелинейность ВАХ варисторов обусловлена явлениями на точечных контактах между кристаллами карбида кремния. При малых напряжениях на варисторе может происходить туннелирование электронов сквозь тонкие потенциальные барьеры, существующие на поверхности кристаллов карбида кремния.

При больших напряжениях на варисторе и соответственно при больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Всё напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Поэтому удельная мощность (мощность в единице объема), выделяющаяся в точечных контактах, достигает таких значений, которые нельзя не учитывать. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и к нелинейности ВАХ.

Рис. 97. Схема моделирования характеристик варистора



13.1 Вольт-амперная характеристика варистора

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 -30 30 0.01

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

Рис. 98. График ВАХ варистора

13.2 Моделирование характеристик варистора в динамическом режиме

Рис. 99. Схема моделирования характеристик варистора в динамическом режиме

Параметры моделирования:

.TRAN 0 1 0 0.001

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"



Рис. 100. График работы варистора в динамическом режиме при подаче синусоидального напряжения

Временная зависимость напряжения падения напряжения на варисторе. Иллюстрирует нелинейный характер ВАХ варистора.

13.3 Утроение частоты на варисторе

Мостовая схема с варисторами иллюстрирует возможность утроения частоты синусоидального сигнала.

Рис. 101. Мостовая схема с варисторами

Параметры моделирования:

.TRAN 0 220ms 200ms 0.01ms

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

Рис. 102. Графики входного синусоидального напряжения и выходного утроенного по частоте напряжения



14. Моделирование характеристик термистора

Терморезистор - это резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Термистор - это полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано разными причинами - увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

1. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединений A^IIIB^IV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, а также в диапазоне температур собственной электропроводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и в другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

2. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из оксидных полупроводников - оксидов металлов переходной группы таблицы Д. И. Менделеева (от титана до цинка). Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании оксида в определённых условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, экспоненциально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер, как и у термисторов из ковалентных полупроводников, но коэффициент температурной чувствительности в этом случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

3. В оксидах ванадия V₂O₄ и V₂O₃ при температуре фазовых превращений (68 и - 110^оС) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур соответствующих фазовому превращению.

Рис. 103. Схема моделирования термистора



Параметры моделирования:

.DC LIN I_I1 0.0001 0.4 0.0001

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

.INC"..\SCHEMATIC1.net"

Рис. 104. График ВАХ термистора

На начальном участке разогрев термистора незначителен, поэтому его дифференциальное сопротивление положительное. С ростом рабочего тока увеличивается мощность, выделяющаяся в термисторе, что приводит к разогреву прибора и уменьшению его сопротивления, т.е. к снижению падения напряжения на нём.

Параметры моделирования:

.DC LIN I_I1 0.0001 0.4 0.0001

.TEMP -10 27 125

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

.INC "..\SCHEMATIC1.net"



Рис. 105. График ВАХ термистора при разных внешних температурах

При малых температурах окружающей среды сопротивление термистора определяется только внутренним разогревом, т.е. протекающим через него током.

С ростом температуры окружающей среды возникает дополнительный разогрев термистора, поэтому максимум ВАХ термистора наблюдается при меньших напряжениях.



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

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, 1998г. - 640 с.: ил.

4. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги Справочник. - "НТЦ Микротех", 1998г.,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», 2006г. - 480 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru