регистрация /  вход

Модель биполярного транзистора (стр. 1 из 3)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА РЭС

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

«Модель биполярного транзистора»

МИНСК, 2009


В данной программе реализованы две классические модели, описывающие характеристики биполярного транзистора (БТ) при работе на постоянном токе и в режиме "большого сигнала". Это модель Эберса-Молла и зарядовая модель Гуммеля-Пуна.

Модель Эберса-Молла основана на суперпозиции нормального и инверсного БТ, работающих в активном режиме. Такой подход к моделированию обусловлен тем, что при управлении "большим сигналом" БТ работает в двух режимах:

активном - нормальном режиме работы БТ, при котором рабочий ток обусловлен инжекцией носителей заряда из эмиттера (emitter) в базу (base);

насыщения - режим: работы БТ, при котором рабочий ток обусловлен инжекцией из коллектора (collector) в базу. В этом режиме р-п -переходы меняются ролями и в связи с этим изменяется направление протекания выходного тока на противоположное - инверсное.

Модель Эберса-Молла связывает токи на выводах БТ с напряжениями на р-п - переходах, поэтому она удобна для схемотехнического анализа.

Однако модель Эберса-Молла не учитывает некоторые эффекты, сопровождающие работу БТ в широком диапазоне изменения рабочих токов и напряжений.

Зарядовая модель Гуммеля-Пуна фактически дополняет модель Эберса-Молла выражениями связывающими токи инжекции с зарядом в базе. Эти выражения, в частности, позволяют учесть зависимость коэффициента передачи тока от рабочих токов и напряжений Эквивалентная схема модели БТ по постоянному току и для режима "большого сигнала" приведена на рис28.4. Элементы эквивалентной схемы, приведенной на рис 4, моделируют:

- генераторы тока IB и IC , управляемые напряжениями соответственно - статические ВАХ БТ;

- элементы накопления заряда QBE и QBC - накопление заряда вблизи соответствующих р-п-переходов (между соответствующими электродами) БТ;

- резисторы RB , RC RE - омические сопротивления областей базы, коллектора и эмиттера соответственно.

Генератор тока IB моделирует ток, протекающий в цепи базы (через электрод базы) в двух режимах работы активном (нормальном, прямом -forward) и насыщения (инверсном - reverse) и описывается выражением

(1)

где IB F и IB R - токи базы в прямом и инверсном включении БТ.

При моделировании генераторов тока IB и IС следует учитывать токовую зависимость коэффициентов передачи БТ, которая в режиме малых токов обусловлена суперпозицией двух физических эффектов, определяющих величину тока базы: генерация (инжекция) и рекомбинация носителей заряда. Эти эффекты имеют место в прямом и инверсном, включении и потому выражение (1) Можно представить в следующем виде:

(2)

где

- составляющие тока базы, обусловленные инжекцией (injection) и рекомбинацией (recombination) носителей заряда в прямом и инверсном включениях соответственно.

В режиме малых (менее 1 мА) токов коллектора зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора B(IС ) имеет вид, представленный на рис.1. Спад коэффициента В в режиме малых токов объясняется с помощью ВАХ, генераторов тока базы IB и коллектора IС , представленной на рис.2. Из данной ВАХ видно, что при токах IС больше некоторого тока IL , графики I С (Vbe )и IB (Vbe ) параллельны, что и обеспечивает постоянство коэффициента В (см рис.5), определяемого отношением тока IС к IB . При IС меньше IL большой вклад в ток IB вносит составляющая IBR ,зависимость Ibr(Vbe) которой имеет наклон, отличный от зависимости IС (VBE ), и поэтому коэффициент В при уменьшении VBE , a соответственно и тока IС , падает.

Рис.1. Зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора

Рис. 2. ВАХ генераторов тока IС и IB

В передаточной модели Эберса-Молла инжекционные составляющие тока базы, протекающие в прямом и инверсном включениях БТ, описываются через выходной ток для прямого IF и инверсного IR включений и соответствующие этим включениям коэффициенты передачи тока BR и BF . C учетом изложенного для токов IBI F и IBI R можно записать

(3)
(4)

В передаточной модели Эберса-Молла токи IF и IR описываются следующими выражениями



(5)
(6)

где IS – начальное значение тока инжекции неосновных носителей в базу, которое в программе PSPICE определяется следующим образом

(7)
(8)

Из выражений (5) и (6) следует, что для расчета токов IF я IR используется одно начальное значение этих токов. Это может быть объяснено тем, что эти токи обусловлены инжекцией носителей заряда в одну и ту же область - область базы БТ. Такое допущение упрощает модель благодаря уменьшению ее параметров. Однако вносит неточность в расчет, так как инжекция и прохождение носителей заряда в базе, обусловленные двумя механизмами - диффузией и дрейфом под действием электрического поля - Неодинаковы в различных направлениях по базе. Диффузия носителей заряда через р-п-переход прямо пропорциональна градиенту (перепаду) их концентрации вблизи соответствующего р-п-перехода. Градиент концентрации носителей заряда у эмиттерного р-п-перехода интегрального п-р-п БТ всегда выше, чем у коллекторного.

Кроме того, в базе такого транзистора, сформированной методом диффузии, вследствие наличия градиентов концентраций легирующей примеси и основных носителей заряда из-за диффузии последних произойдет перераспределение зарядов и образуется электрическое поле. Это поле является ускоряющим для электронов, инжектированных из эмиттера в базу, и тормозящим для электронов, инжектированных из коллектора в базу.

Подставив (3)...(6) в (2), получим выражение для ВАХ генератора тока IB :

(9)

Где Ne и Nс - коэффициенты неидеальности ВАХ генератора тока базы, обусловленной рекомбинацией носителей заряда, в прямом и инверсном включениях соответственно,

- начальные значения рекомбинационных составляющих тока базы в прямом и инверсном включениях соответственно.

Генератор IC моделирует токи, протекающие в цепи коллектора (через электрод коллектора) в прямом и инверсном включении и согласно передаточной модели Эберса-Молла может быть описан выражением

(10)

В выражении (10) первое слагаемое описывает ток через электрод коллектора в прямом включении. Второе и третье слагаемые в сумме дают Ток, протекающий через электрод коллектора в инверсном включении.

Зарядовая модель Гуммеля-Пуна дополняет передаточную модель Эберса-Молла введением некоторого заряда в базе Qb в модель для генератора тока Iс, что позволяет описать два хорошо известных на практике эффекта: зависимость IC (VCE ) вактивной области выходной ВАХ БТ и спад коэффициента передачи тока при высоких уровнях тока IC В модели Гуммеля-Пуна выражение (10) имеет следующий вид:

(11)

Подставив в (10) выражения (5), (6), с учетом (1), (2) и (9) получим:

(12)

где QB - зарядовый коэффициент.

График зависимости Ic(Vce) (выходной ВАХ) приведен на рис.7. Рост тока IC при увеличении VCE активной области ВАХ обусловлен уменьшением толщины квазинейтральной базы (эффект Эрли). С ростом обратносмещающего потенциала на коллекторе увеличивается толщина обедненной области р-п - перехода коллектор - база и уменьшается толщина квазинейтральной базы. Хорошо известно, что при уменьшении толщины базы и неизменном потенциале на базе ток IC растет.

Из графика зависимости В(IC ), приведенного на рис.5, видно, что при токе IC больше некоторого значения IK происходит спад коэффициента В. Уменьшение коэффициента В объясняется тем, что при больших токах IC и соответственно высоких концентрациях подвижных носителей заряда растет плотность заряда в р-п-переходе коллектор - база и как следствие этого уменьшается его ширина (эффект Кирка). Сужение р-п - перехода коллектор-база приводит к увеличению толщины квазинейтральной базы, а это в свою очередь - к уменьшению коэффициента В.

Узнать стоимость написания работы
Оставьте заявку, и в течение 5 минут на почту вам станут поступать предложения!