A bipoláris tranzisztor modellezése Készítette Katona József Mikroelektronika és mikrorendszerek 2003. február 20.

A bipoláris tranzisztor működése - az Ebers-Moll modell

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) IB állandó, UCE nő  UBE nő kimenő vezetés Magyarázat: kollektor kiürített réteg változtatja a bázisvastagságot

A tranzisztor határfrekvenciái fT f

Az áramerősítés nagyfrekvenciás csökkenésének okai 1. Az emitter-bázis tértöltés-kapacitás töltése-kisütése ahol ien az emitterből injektált áram, ieb pedig a bázisba ténylegesen átjutó áram 2. A transzport hatásfok nagyfrekvenciás csökkenése A bázisbeli töltésfelhalmozás és rekombinációs veszteség miatt a transzport hatásfok csökken tr0 a DC transzport hatásfok, T0 a bázisáthaladási idő

Az áramerősítés nagyfrekvenciás csökkenésének okai 3. Futási idő jelenség a kollektor kiürített rétegében 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) a kiürített rétegben a váltakozó áram eltolási áramot kelt, emiatt az eredő áram csökken 4. A bázis-kollektor tértöltés-kapacitás töltése-kisütése

A tranzisztor határfrekvenciái Az előbbi eszközfizikai elmélet alapján levezethetők a tranzisztor határfrekvenciáit megadó képletek f f1 fT f , ahol

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

Nagyáramú effektusok 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 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 extrinsic rész: a kontaktusok soros ellenállásai kollektor-szubsztrát kapacitás Az intrinsic rész: áramvezérelt áramforrás (iC’E’) két-két dióda átmenetenként B’E’ és B’C’ átmenet kapacitása

A Gummel-Poon modell áramegyenletei bázisáram: kollektoráram: bázistöltés számítása: 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!

A Gummel-Poon modell AC kisjelű helyettesítőképe 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): 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 , ha VBE>FC*VJE

Hőmérsékletfüggés modellezése

A Gummel-Poon modell hiányai 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

Fejlettebb modellek 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

A Philips MEXTRAM modell 1986 Philips: de Graaf, Klostermann, Jansen

A HICUM (HIgh CUrrent Model) modell 1984 M. Schröter, TU Dresden

Modellparaméterek GP 42 VBIC 85 MEXTRAM 62 HICUM 100