A bipoláris tranzisztor modllzés Készíttt Katona Józsf Mikrolktronika és mikrorndszrk 2003. fbruár 20.
A bipoláris tranzisztor működés az Ebrs Moll modll I I E C = I ES = α ( U ) ( ) BE / UT U BC / UT α RICS ( U / ) ( / ) BE UT U BC UT I + I f ES CS
A bázis és a kollktor soros llnállása r bb a bázis soros llnállása r cc a kollktor soros llnállása (ltmttt rétg)
Kimnő vztés és visszahatás (Early hatás) visszahatás I B állandó, U CE nő U BE nő kimnő vztés di du C CE 0 Magyarázat: kollktor kiüríttt rétg változtatja a bázisvastagságot
A tranzisztor határfrkvnciái α β [ db] α 0 / 2 β 0 3dB f α f f β f f T lg f f α = f α α = 0 2 f β = f β β = 0 2 G max [ db] f = f β = f T ( f ) β = f + f f 20 β f f max lg f f max = f G = max
Az áramrősítés nagyfrkvnciás csökknésénk okai. Az mittr bázis tértöltés kapacitás töltés kisütés i i b n = + jωc T r ahol i n az mittrből injktált áram, i b pdig a bázisba ténylgsn átjutó áram 2. A transzport hatásfok nagyfrkvnciás csökknés A bázisbli töltésflhalmozás és rkombinációs vsztség miatt a transzport hatásfok csökkn η tr0 a DC transzport hatásfok, T 0 a bázisáthaladási idő η tr ηtr0 + jωt 0
Az áramrősítés nagyfrkvnciás csökknésénk okai 3. Futási idő jlnség a kollktor kiüríttt rétgébn A kollktor kiüríttt rétgébn nagy a térrő, az lktronok a maximális v th sbsséggl mozognak, z határozza mg a kollktor oldali futási időt (S C a kiür.rtg. szélsség) a kiüríttt rétgbn a váltakozó áram c' c ltolási áramot klt, miatt az rdő i T b c' + jω áram csökkn 2 i c T = C S v C th 4. A bázis kollktor tértöltés kapacitás töltés kisütés i i c c' c = + jωr cc' C Tc
A tranzisztor határfrkvnciái Az lőbbi szközfizikai lmélt alapján lvzthtők a tranzisztor határfrkvnciáit mgadó képltk α lg β α 0 / 2 ( β / 2 ) lg 0 f α f f β f f T lg f f T f α 2π ( τ + τ + τ + τ ) 2π( C r + T + T / 2 + C r ) EB B C BC = T 0 c Tc cc' f max f 8πr α bb' C b'c', ahol G max =
A mértcsökkntés hatásai oldalfalhatás a latrális és vrtikális mértk összmérhtők az áramok intrinsic és xtrinsic részből állnak rkombináció a p+ bázisban oldalfalkapacitások
A határfrkvnciák munkapontfüggés A határfrkvnciák érték függ a kollktoráramtól. Ennk oka az áramrősítés munkapontfüggés. f T áramfüggés β munkapontfüggés
Nagyáramú ffktusok áramkiszorítás a bázis llnállásán ső fszültség miatt az mittr szél jobban lőfszíttt, mint a közp, vagyis az áram az mittr prmén folyik lcsökkn az r bb, d az szköz rősn mlgszik áramszéttrülés az lktronáram széttrül, gy rész az xtrinsic részn krsztül jut l a kollktorba, miatt nő a bázis futási idő
Nagyáramú ffktusok nagyszintű injkció (a kisbbségi töltéshordozók sűrűség összmérhtő a többségikévl) kollktor hátratolódás (Kirk hatás): a kollktor már nm idális nylő, az lktronok fltorlódnak az átmntnél, és töltésük hozzáadódik a kiüríttt rétg töltéséhz. Ezt kompnzálandó, a bázis oldalán csökkni, a kollktoroldalon nőni kll a kiür. rétg szélsségénk, azaz a tértöltésnk. Ez olyan, mintha a kollktor hátrébb tolódott volna, így nő a bázisvastagság, miatt nő a futási idő, illtv csökkn a transzport hatásfok, és miatt az áramrősítés is. ambipoláris diffúzió: a bázis mittrflőli oldalán mgnő a lyukkoncntráció, hogy llnsúlyozza az lktronok töltését, miatt nagy lsz a rkombinációs vsztség
A Gumml Poon modll 970 bn publikálták lőrlépés az Ebrs Moll modllhz képst: intgral charg control rlation bvztés, azaz a bázisba injktált töltés változását írja l Early hatás nagyszintű injkció külső paraziták (soros llnállások és szubsztrát kapacitás) hőmérsékltfüggő paramétrk
A Gumml Poon modll nagyjlű hlyttsítőkép Az intrinsic rész: áramvzérlt áramforrás (ic E ) két két dióda átmntnként B E és B C átmnt kapacitása Az xtrinsic rész: a kontaktusok soros llnállásai kollktor szubsztrát kapacitás
A Gumml Poon modll nagyjlű hlyttsítőkép
A Gumml Poon modll áramgynlti bázisáram: + + + = vt vbc vt vbc vt vbe vt vbe ib NC NR NE NF ISC BR IS ISE BF IS = vt vbc vt vbc vt vbc vt vbe Nqb ic NC NR NR NF ISC BR IS IS kollktoráram: ( ) s s q q Nqb 2 4 2 + + = bázistöltés számítása: VAF VAR vbc vbe q s = + = 2 vt vbc vt vbe s q NR NF IKR IS IKF IS Early hatás nagyszintű injkció
A Gumml Poon modll áramgynlti bázisáram: + + + = vt vbc vt vbc vt vbe vt vbe ib NC NR NE NF ISC BR IS ISE BF IS = vt vbc vt vbc vt vbc vt vbe Nqb ic NC NR NR NF ISC BR IS IS kollktoráram: ( ) s s q q Nqb 2 4 2 + + = bázistöltés számítása: VAF VAR vbc vbe q s = + = 2 vt vbc vt vbe s q NR NF IKR IS IKF IS Early hatás nagyszintű injkció
Az llnállások munkapontfüggés bázis hozzávztési llnállás ( RB ) RBB = RBM + 3 RBM tan ( z ) z tan z 2 ( z ) z = 2 + π 24 π 2 2 ib IRB ib IRB Az mittr és a kollktor sors llnállásának a Gumml Poon modllbn nincs munkapontfüggés, RE és RC konstans!
A Gumml Poon modll AC kisjlű hlyttsítőkép g = B' E' di dv b B' E' g 0 di = dv c B' C' dv di b B' C' A C B C kapacitást gyakran kttéosztják gy XCJC< paramétrrl. A kapacitásnak kkora rész az intrinsic bázispont (B ) és a C, a többi rész a báziskontaktus (B) és a C között hlyzkdik l. Az XCJC érték bfolyásolja az f max frkvnciát.
A kapacitások modllzés A pn átmntk kapacitása két részből áll, a diffúziós kapacitásból (az összg második tagja) és a tértöltés kapacitásból (lső tag): C BC CJC di = + TR v dv BC MJC VJC c BC C BE CJE di = + TFF v dv BE MJE VJE c BE A tranzisztort ált. normál aktív üzmbn használják, zért TR konstans, csak az mittroldali diffúziós kapacitást írták l pontosabban (if a diffúziós áram) TFF 2 v i BC f = TF + XTF. 44VTF i f + ITF Nyitott pn átmntnél a tértöltés kapacitás hatása másként jlntkzik, zért az mittroldalon másként modllzik C SBE = CJE VBE ( ) ( ) FC( + MJE) + MJE + MJE FC VJE, ha VBE>FC*VJE
Hőmérsékltfüggés modllzés
A paramétrxtrakció lépési tértöltés kapacitások paramétri ohmikus paraziták DC áramok paramétri bázis soros llnállása futási idő paramétri végső optimalizálás
S paramétrk Tértöltés kapacitások modllzés
Emittr soros llnállása RE
Kollktor soros llnállása RC
Bázis soros llnállása RBM, RB, IRB
Bázis soros llnállása RBM, RB, IRB
Bázis soros llnállása (RBM, RB, IRB)
Early fszültség VAF
Kollktoráram paramétri IS, NF, IKF
Bázisáram paramétri IS, NF, IKF
Bázisáram paramétri IS, NF, IKF
Futási idő modllzés VCB=0
Bázisáram paramétri IS, NF, IKF
A Gumml Poon modll hiányai Ohmos hatások: az RC és RE llnállás konstans érték, nincs áram, fszültség és hőmérsékltfüggésük Normál üzm DC modllzés: az IKF nagyáramú paramétr csak a β csökknésénk a kzdőpontját írja l, a további mrdkségr vonatkozó paramétr nincs (a modll mrdkségt használ, log log ábrázolásban) a kimnti karaktrisztika tlítési szakasza hiányos, nm fdi l a mai kisfszültségű (VCE<0.5V) tranzisztorok működését sm a bázis mittr, sm a bázis kollktor dióda stén nincsnk ltörési jlnségk figylmb vév Hőmérséklti modllzés: a VJE, VJC, VJS paramétrk (a pn átmntk diffúziós potnciálja) értékénk TNOM hőmérsékltn 0.4V fölött kll lnni, különbn az analízis nm lsz konvrgns a modll nm vszi figylmb az szköz mlgdését
A Gumml Poon modll hiányai Invrz üzm DC modllzés: a tlítési áram IS paramétr a modllbn ugyanaz, mint normál üzm stén az IKF hz hasonlóan az IKR sm írja l a β csökknésénk mrdkségét a kimnti karaktrisztika tlítési szakasza itt is hiányos AC modllzés: a TF mittr időállandó modllzés nm fizikai alapon történik, zért gyakran pontatlan a TR invrz üzmi kollktor időállandó konstans Intgrált áramköri tranzisztorok: a parazita pnp tranzisztor hatását a modll mllőzi
A VBIC modll
A VBIC modll Tlítési határhlyzt lírása (modulált kollktor soros llnállás) a bázisvastagság modulációjának prcízbb lírása az szköz mlgdésénk figylmb vétl kapacitásmodll továbbfjlsztés parazita pnp tranzisztor futási idő lírásának javítása losztott bázis lavinasokszorozódás fázistöbblt pontosabb lírása
Zaj szimulációja Trmikus zaj (Thrmal nois) Sörétzaj (Shot nois) /f zaj (Flickr nois) BF= in Gumml Poon modl
A Philips MEXTRAM modll 986 Philips: d Graaf, Klostrmann, Jansn
A HICUM (HIgh CUrrnt Modl) modll 984 M. Schrötr, TU Drsdn
Modllparamétrk GP 42 VBIC 85 MEXTRAM 62 HICUM 00 Javasolt irodalom Agilnt IC CAP Charactrization & Modling Handbook http://www.agilnt.com