Моделирование биполярного транзистора. 9206_Краснокутский_Дорошенко_Ремеле_ПР4. Схемотехническое моделирование интегрального биполярного транзистора

• Название: Схемотехническое моделирование интегрального биполярного транзистора
• Анкор: Моделирование биполярного транзистора
• Дата: 13.04.2023
• Размер: 452.32 Kb.
• Имя файла: 9206_Краснокутский_Дорошенко_Ремеле_ПР4.docx
• Тип: Отчет; #1059288

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ


отчет

по практической работе №4

по дисциплине «ОМиПМЭК»

Тема: «Схемотехническое моделирование интегрального биполярного транзистора»

Студент гр. 9206		Краснокутский Д. С. Дорошенко С. В. Ремеле В. Е.
Преподаватель		Рындин Е. А.

Санкт-Петербург

2023

Цель работы.

Расчет и построение семейства выходных ВАХ интегрального биполярного транзистора на основе модели Эберса-Молла и исходных данных, указанных в варианте задания.

Основные теоретические положения.

Биполярный транзистор – прибор, состоящий из трех полупроводниковых областей с чередующимся типом проводимости с двумя p-n-переходами, пригодный для усиления, генерации и переключения электрических сигналов.

Биполярные транзисторы бывают с n-p-n и с p-n-p структурой (рисунок 1).

Рисунок 1 – Структура n-p-n и p-n-p транзисторов

Более детально структура биполярного транзистора.



Рисунок 2 – Планарная структура биполярного транзистор n-p-n типа

Совершенно аналогично выглядит и транзистор p-n-p типа.

Транзистор изготавливают посредством легирования подложки нужными типами примесей в определенной последовательности: сначала коллектор, затем формируется базовая область, после чего формируется эмиттерная область. При этом профиль легирования имеет вид.



Рисунок 3 – Профиль легирования n-p-n транзистора

Рассмотрим принцип действия биполярного транзистора. Биполярный транзистор можно представить, как два последовательных p-n перехода, при подаче напряжения на транзистор переход БЭ открывается, из-за чего происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу. Поскольку инжектированные носители заряда не являются основным в базе они частично рекомбинируют с носителями заряда в базе, но из-за малой толщины база число актов рекомбинации мало и рекомбинационный ток мал. Затем инжектированные в базу носители продвигаются к коллектору вследствие градиента концентрации, т.к переход КБ смещен в обратном направлении. Эти носители и составляют коллекторный ток.

Стоит отметить что выделяют четыре режима работы транзистора:

1. 
   Нормальный
   

В нормальном режиме работы база-эммитерный переход подключен прямо, а база-коллекторный обратно. В этом режиме работают подавляющее большинство транзисторов.

2. 
   Инверсный
   

База-эммитерный переход подключен обратно, а база-коллекторный прямо.

3. 
   Насыщения
   

Оба перехода смещены прямо.

4. 
   Отсечки
   

Оба перехода смещены обратно.

Биполярный транзистор может быть включен тремя различными способами:

1. 
   С общей базой
   

Рисунок 4 – Схема включения с общей базой

Схема с общей базой обладает малым входным сопротивлением (десятки Ом), т.к. входная цепь представляет собой БЭ-переход транзистора. У подобной схемы включения очень хорошие частотные свойства и хорошая термостабильность, однако ценой этому является отсутствие какого-либо усиления по току.

2. 
   С общим коллектором
   

Рисунок 5 – Схема включения с общим коллектором

Схема включения с общим коллектором обладает наибольшим входным сопротивлением т.к входная цепь – это закрытый переход КБ, также она обладает низким выходным сопротивлением, а также высоким коэффициентом усиления. Однако у схемы есть и недостаток – она не усиливает напряжение.

3. 
   С общем эмиттером
   

Рисунок 6 – Схемы включения с общим эмиттером

Эта схема наиболее популярна в связи с тем, что она позволяет достичь наибольшего усиления по мощности. Также эта схема обладает большим входным сопротивлением чем схема с общей базой. Но у схемы есть недостатки – у нее плохие температурные и частотные свойства.

Важнейшими характеристиками транзистора являются семейства проходных и выходных характеристик. Каждой схеме включения соответствует свое семейство выходных и проходных характеристик:



Рисунок 7 – Проходные и выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой» (а- выходные, б – проходные).



Рисунок 8 – Проходные и выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (а- выходные, б – проходные).

Помимо этого, транзистор обладает несколькими важными статическими параметрами, выделим три наиболее важных из них, которые будут использоваться в дальнейшем:

1.Коэффициент передачи тока эмиттера

2.Коэффициент передачи тока базы

При моделировании биполярного транзистора можно пользоваться различными моделями разной степени сложности. Наиболее простой и при этом сравнительно точной является модель Эберса-Молла. Рассмотрим эту модель подробнее. В модели Эберса-Молла биполярный транзистор представляется в виде эквивалентной схемы.

В модели Эберса—Молла используется большинство допущений классической теории Шокли идеализированного полупроводникового диода малость поперечных размеров по сравнению с продольными (перпендикулярными плоскостям р-п переходов), однородность легирования областей базы и эмиттера, низкий уровень инжекции, пренебрежение токами генерации—рекомбинации носителей заряда в р-п переходах и диффузионный механизм токов неосновных носителей. Дополнительными допущениями являются:

• 
  эквипотенциальность базы в плоскостях р-п переходов;
  
• 
  постоянство нормального и инверсного коэффициентов передачи тока
  

Рисунок 9 – Модель Эберса-Молла

Модель Эберса-Молла в таком виде не учитывает переходные процессы, протекающие в транзисторе, в случае же если нужно учитывать переходные процессы необходимо рассматривать эквивалентную схему с конденсаторами. Ограничимся статическими зависимостями и получим при помощи этой модели семейство проходных и выходных характеристик.

По законам Кирхгофа:







Тогда используя выражение для тока диода :





Где с другой стороны , тогда



Окончательно имеем: и

В схеме с общей базой







Такая модель широко используется при моделировании различных схем, устройств. Эквивалентная модель “подгоняется” под эксперимент и с необходимой точностью позволяет предсказать поведение той или иной схемы, включающей в себя транзисторы. Вычислительная работа небольшая, скорость моделирования высокая.

Полученное техническое задание.

Таблица 1 – Параметры биполярного транзистора

αN	Uк, В	Iк0, A	Iэ, мA
0,85	-0,5 – 3	110-8	0 – 4

Для выполнения расчетов напишем код в среде Matlab.

clear all;

close all;

clc;
aN=0.85;

Uk=[-0.5:0.01:3];

Ik0=1e-8;

Ie=[0:1e-3:4e-3];
kB=1.38e-23;

T=300;

q=1.6e-19;

ft=kB*T/q;
for j=1:length(Ie)

for i=1:length(Uk)

Ik(i,j)=aN*Ie(j)-Ik0*(exp(-Uk(i)/ft)-1);

end

end
plot(Uk,Ik.*(1e3),'LineWidth',2);

xlabel('Collector voltage, V','FontSize', 14)

ylabel('Collector current, mA','FontSize', 14)

grid on

ylim([-0.5 max(max(Ik.*(1e3)))*1.1])

legend('I_e=0mA','I_e=1mA','I_e=2mA','I_e=3mA', 'I_e=4mA')

print(gcf,'-djpeg','VAH')

В результате выполнения программы получим выходную характеристику.



Рисунок 10 – Выходная характеристика биполярного транзистора в схеме с общей базой

Вывод.

В ходе данной практической работы было проведено моделирование интегрального биполярного транзистора в схеме с общей базой. В качестве модели была выбрана модель Эберса-Молла. Для расчета выходных характеристик использовалась программа, написанная в среде MatLab. Результатом работы программы является график семейства выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой.

Анализ результатов показывает, что данная модель является достаточно компактной и точной. Модель может быть изменена под определенные результаты эксперименты. Скорость расчетов очень высокая и затраты на оперативную память минимальные, что позволяет применять такие модели в схемах, где транзисторов достаточно большое количество.