A bipoláris tranzisztor modellezése

Mikroelektronika és mikrorendszerek

2003. február 20.

Készítette Katona József

A bipoláris tranzisztor működése - az Ebers-Moll modell

11

11//

//

TBCTBE

TBCTBE

UUCS

UUESfC

UUCSR

UUESE

eIeII

eIeII

A bázis és a kollektor soros ellenállása

rbb’ a bázis soros ellenállása

rcc’ a kollektor soros ellenállása

(eltemetett réteg)

Kimenő vezetés és visszahatás (Early-hatás)

•kimenő vezetés

0CE

C

dU

dI

•visszahatás

IB állandó, UCE nő UBE nő

Magyarázat: kollektor kiürített réteg változtatja a bázisvastagságot

A tranzisztor határfrekvenciái

20

| ff

dB30 2/0

fT flg

dB

f1ff

f

flg

dBG max

maxf

20

| ff

11 | ff

1|

20f

fff ffT

1max max| Gff

1. Az emitter-bázis tértöltés-kapacitás töltése-kisütése

Az áramerősítés nagyfrekvenciás csökkenésének okai

2. A transzport hatásfok nagyfrekvenciás csökkenése

A bázisbeli töltésfelhalmozás és rekombinációs

veszteség miatt a transzport hatásfok csökken

eTeen

be

rCj1

1

i

i

ahol ien az emitterből injektált áram, ieb

pedig a bázisba ténylegesen átjutó áram

0

0trtr Tj1

tr0 a DC transzport hatásfok, T0 a bázisáthaladási idő

3. Futási idő jelenség a kollektor kiürített rétegében

Az áramerősítés nagyfrekvenciás csökkenésének okai

4. A bázis-kollektor tértöltés-kapacitás töltése-kisütése

A kollektor kiürített rétegében nagy a térerő, az elektronok a maximális vth sebességgel mozognak, ez határozza meg a kollektor oldali futási időt (SC a kiür.rtg. szélessége)

th

CC v

ST

a kiürített rétegben a váltakozó áram eltolási áramot kelt, emiatt az eredő áram csökken 2

Tj1

1

i

i

c'cb

c'c

Tc'ccc'c

c

Crj1

1

i

i

A tranzisztor határfrekvenciái

'c'b'bbmax Cr8

ff

2/lg 02/0

Az előbbi eszközfizikai elmélet alapján levezethetők a tranzisztor határfrekvenciáit megadó képletek

'ccTcc0eTeBCCBEBT rC2/TTrC2

1

2

1ff

fT flg

lg

f1ff

f

, ahol 1Gmax

A méretcsökkentés hatásai

•oldalfalhatás - a laterális és vertikális méretek összemérhetőek

•az áramok intrinsic és extrinsic részből állnak

•rekombináció a p+ bázisban

•oldalfalkapacitások

A határfrekvenciák munkapontfüggése

A határfrekvenciák értéke függ a kollektoráramtól. Ennek oka az áramerősítés munkapontfüggése.

fT áramfüggése munkapontfüggése

•áramkiszorítás

•a bázis ellenállásán eső feszültség miatt az emitter széle jobban előfeszített, mint a közepe, vagyis az áram az emitter peremén folyik

•lecsökken az rbb’, de az eszköz erősen melegszik

•áramszétterülés•az elektronáram szétterül, egy része az extrinsic részen keresztül jut el a kollektorba, emiatt nő a bázis futási idő

Nagyáramú effektusok

Nagyáramú effektusok

•nagyszintű injekció (a kisebbségi töltéshordozók sűrűsége összemérhető a többségiekével)

•kollektor-hátratolódás (Kirk-hatás): a kollektor már nem ideális nyelő, az elektronok feltorlódnak az átmenetnél, és töltésük hozzáadódik a kiürített réteg töltéséhez. Ezt kompenzálandó, a bázis oldalán csökkeni, a kollektoroldalon nőni kell a kiür. réteg szélességének, azaz a tértöltésnek. Ez olyan, mintha a kollektor hátrébb tolódott volna, így nő a bázisvastagság, emiatt nő a futási idő, illetve csökken a transzport hatásfok, és emiatt az áramerősítés is.

•ambipoláris diffúzió: a bázis emitterfelőli oldalán megnő a lyukkoncentráció, hogy ellensúlyozza az elektronok töltését, emiatt nagy lesz a rekombinációs veszteség

A Gummel-Poon modell

•1970-ben publikálták

•előrelépés az Ebers-Moll modellhez képest:

•„integral charge control relation” bevezetése, azaz a bázisba injektált

töltés változását írja le

•Early-hatás

•nagyszintű injekció

•külső paraziták (soros ellenállások és szubsztrát-kapacitás)

•hőmérsékletfüggő paraméterek

A Gummel-Poon modell nagyjelű helyettesítőképe

Az intrinsic rész:

•áramvezérelt áramforrás (iC’E’)

•két-két dióda átmenetenként

•B’E’ és B’C’ átmenet kapacitása

Az extrinsic rész:

•a kontaktusok soros ellenállásai

•kollektor-szubsztrát kapacitás

A Gummel-Poon modell áramegyenletei

bázisáram:

1111 vT

vBC

vT

vBC

vT

vBE

vT

vBE

eeeeib NCNRNENF ISCBR

ISISE

BF

IS

1111 vT

vBC

vT

vBC

vT

vBC

vT

vBE

eeeeNqb

ic NCNRNRNF ISCBR

ISISkollektoráram:

ss q

qNqb 2

1 4112

bázistöltés számítása:

VAFVAR

vBCvBEq s

1

11

112

vT

vBC

vT

vBE

s eeq NRNFIKR

IS

IKF

IS

Early-hatás

nagyszintű injekció

Az ellenállások munkapontfüggése

bázis-hozzávezetési ellenállás

Az emitter és a kollektor sors

ellenállásának a Gummel-Poon

modellben nincs munkapontfüggése,

RE és RC konstans!

ztanz

zztanRBB

23

RBMRBRBM

IRB

IRB

ib

ib

z

2

2

24

112

1

A Gummel-Poon modell AC kisjelű helyettesítőképe

''''

EB

bEB dv

dig

''''0

CB

b

CB

c

dv

di

dv

dig

A CB’C’ kapacitást gyakran kettéosztják egy XCJC<1 paraméterrel. A kapacitásnak ekkora része az intrinsic bázispont (B’) és a C’, a többi része a báziskontaktus (B) és a C’ között helyezkedik el. Az XCJC értéke befolyásolja az fmax frekvenciát.

A kapacitások modellezése

A pn-átmenetek kapacitása két részből áll, a diffúziós kapacitásból (az összeg második tagja) és a tértöltés-kapacitásból (első tag):

BC

c

BCBC dv

di

vC

TR

VJC

CJCMJC

1BE

c

BE

BE dv

di

vC

TFF

VJE1

CJEMJE

VTF

ITFXTFTF 44.1

2

1BCv

f

fe

i

iTFF

A tranzisztort ált. normál aktív üzemben használják, ezért TR konstans, csak az emitteroldali diffúziós kapacitást írták le pontosabban (if a diffúziós áram)

Nyitott pn-átmenetnél a tértöltés-kapacitás hatása másként jelentkezik, ezért az emitteroldalon másként modellezik

VJE

VBEMJEMJE1FC1

FC1

CJEC

MJE1SBE , ha VBE>FC*VJE

Hőmérsékletfüggés modellezése

Ohmos hatások:•az RC és RE ellenállás konstans érték, nincs áram-, feszültség- és hőmérsékletfüggésük

Normál üzem DC modellezése:•az IKF nagyáramú paraméter csak a csökkenésének a kezdőpontját írja le, a további meredekségre vonatkozó paraméter nincs (a modell -1 meredekséget használ, log-log ábrázolásban) •a kimeneti karakterisztika telítési szakasza hiányos, nem fedi le a mai kisfeszültségű (VCE<0.5V) tranzisztorok működését•sem a bázis-emitter, sem a bázis-kollektor dióda esetén nincsenek letörési jelenségek figyelembe véve

Inverz üzem DC modellezése:•a telítési áram IS paramétere a modellben ugyanaz, mint normál üzem esetén•az IKF-hez hasonlóan az IKR sem írja le a csökkenésének meredekségét•a kimeneti karakterisztika telítési szakasza itt is hiányos

A Gummel-Poon modell hiányai

AC modellezés:•a TF emitter időállandó modellezése nem fizikai alapon történik, ezért gyakran pontatlan•a TR inverz üzemi kollektor időállandó konstans

Hőmérsékleti modellezés:•a VJE, VJC, VJS paraméterek (a pn-átmenetek diffúziós potenciálja) értékének TNOM hőmérsékleten 0.4V fölött kell lennie, különben az analízis nem lesz konvergens•a modell nem veszi figyelembe az eszköz melegedését

Integrált áramköri tranzisztorok:•a parazita pnp-tranzisztor hatását a modell mellőzi

A Gummel-Poon modell hiányai

•A VBIC (Vertical Bipolar InterCompany Model) modell

•1995 US industry consortium

•a bázisvastagság modulációjának precízebb leírása

•parazita pnp-tranzisztor

•továbbfejlesztett Kull-modell a sebességtelítés leírására

•késleltetési idő leírásának javítása

•elosztott bázis

•lavinasokszorozódás

•fázistöbblet pontosabb leírása

•kapacitásmodell továbbfejlesztése

•az eszköz melegedésének figyelembe vétele

Fejlettebb modellek

1986 Philips: de Graaf, Klostermann, JansenA Philips MEXTRAM modell

1984 M. Schröter, TU Dresden

A HICUM (HIgh CUrrent Model) modell

•GP 42

•VBIC 85

•MEXTRAM 62

•HICUM 100

Modellparaméterek