A bipoláris tranzisztor modellezése

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

2. A bipoláris tranzisztor működése - az Ebers-Moll modell

3. A bázis és a kollektor soros ellenállása rbb’ a bázis soros ellenállása rcc’ a kollektor soros ellenállása (eltemetett réteg)

4. Kimenő vezetés és visszahatás (Early-hatás) • visszahatás • IB állandó, UCE nő  UBE nő • kimenő vezetés Magyarázat: kollektor kiürített réteg változtatja a bázisvastagságot

5. A tranzisztor határfrekvenciái f f1 fT f

6. 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

7. 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

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

9. A méretcsökkentés hatásai • oldalfalhatás - a laterális és vertikális méretek összemérhetőek • az áramok intrinsic és extrinsic részből állnak • rekombináció a p+ bázisban • oldalfalkapacitások

10. A határfrekvenciák munkapontfüggése A határfrekvenciák értéke függ a kollektoráramtól. Ennek oka az áramerősítés munkapontfüggése. fT áramfüggése  munkapontfüggése

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. A Gummel-Poon modell áramegyenletei bázisáram: kollektoráram: bázistöltés számítása: Early-hatás nagyszintű injekció

16. Az ellenállások munkapontfüggése bázis-hozzávezetési ellenállás Az emitter és a kollektor sors ellenállásának a Gummel-Poon modellben nincs munkapontfüggése, RE és RC konstans!

17. 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.

18. 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

19. Hőmérsékletfüggés modellezése

20. 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

21. 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

22. 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

23. A Philips MEXTRAM modell • 1986 Philips: de Graaf, Klostermann, Jansen

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

25. Modellparaméterek • GP 42 • VBIC 85 • MEXTRAM 62 • HICUM 100