Pc max Ucb max Uce max
Ueb max Ic max Tj max Ft max Cc tip Hfe
|
310 mW 300V 300V 5V 50
mA 150°C 60 MHz - 50 MIN
|
Характеристики остальных элементов
уже были приведены при описании первой схемы моделирования на основе счётчика
К155ИЕ5.
1.2.2 Формирование токов
базы транзистора Q8
Восьмиканальный аналоговый
коммутатор К590КН6 по очереди коммутирует токи с каждого из 8 своих входов на
базу транзистора Q8. Имея постоянное напряжение на всех входах коммутатора и 8
специально подобранных по номиналу резисторов, мы получаем 8 различных уровней
тока базы, возрастающих каждый раз в два раза. Индуктивность L1 отфильтровывает часть
нежелательных выбросов, возникающих при переключении аналогового коммутатора.
Переключение же самого аналогового ключа обеспечено цифровым счётчиком К155ИЕ5,
описание которого уже было приведено выше.
Рис. 17. Токи базы транзистора Q8
1.2.3 Формирование
напряжения на коллекторе
Часть схемы формирования
пилообразного напряжения на коллекторе исследуемого транзистора Q3 идентична соответствующей части схемы с использованием цифрового
счётчика К155ИЕ5 и подробно описана выше в пункте 1.1.3.
2.
Моделирование характеристик биполярных транзисторов
Биполярный транзистор - это
полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими
электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства
которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей
заряда.
2.1 Статические
характеристики биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой
Рис. 18. Схема моделирования
биполярного p-n-p транзистора с общей базой
2.1.1 Входные
характеристики
Параметры моделирования:LIN I_I1 0
10m 0.001mV_V1 LIST 0 100
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 19. Входная характеристика
биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой
Как видно из графика, с ростом
коллекторного напряжения уменьшается падение напряжения на эмиттерном переходе,
что свидетельствует о наличии отрицательной обратной связи по постоянному
напряжению.
2.1.2 Выходная
характеристика
Параметры моделирования:
DC LIN V_V1 -1 20 0.01
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 20. Выходная ВАХ
биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой
Начальный участок графика (V1<0) соответствует режиму
насыщения транзистора, а область неизменного тока коллектора - активному режиму
работы.
2.2
Статические характеристики биполярного p-n-p транзистора в схеме с
общим эмиттером
Рис. 21. Схема моделирования
выходных ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером
2.2.1 Выходная
характеристика
Параметры моделирования:LIN V_V1 0
20 0.01
STEP I_I1 LIST 0 0.1m
0.2m 0.3m 0.4m 0.5mV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE
(alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 22. Выходная ВАХ
биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером
Виден заметный наклон характеристик
в области активного режима работы транзистора, что связано с зависимостью
коэффициента передачи транзистора по току от напряжения на коллекторе из-за
модуляции толщины базовой области транзистора коллекторным напряжением.
2.2.2 Характеристика
обратной связи
Параметры моделирования:
DC LIN V_V1 0.001 400m
0.0001I_I1 LIST 0.1m 0.3m 0.5mV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D
(alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 23. График характеристики
обратной связи по напряжению биполярного p-n-p транзистора
Из графика видно, что в схеме с
общим эмиттером обратная связь по напряжению положительная.
2.2.3 Характеристика
прямой передачи
Параметры моделирования:
DC LIN I_I1 10u 500u
0.01uV_V1 LIST 1 10V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE
(alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 24. График зависимости
коэффициента передачи по току от рабочего тока при разных коллекторных
потенциалах биполярного p-n-p транзистора
При малых токах базы коэффициент
передачи нарастает с ростом током базы, что связано с появлением электрического
поля в базе. Спад же при больших токах базы связан с эффектом Федотова-Кирка
(возрастание толщины базы в биполярном транзисторе с ростом тока коллектора при
неизменном напряжении на коллекторе, вызванное уменьшением размера области
пространственного заряда коллекторного перехода из-за увеличения концентрации
неосновных носителей в базе при больших токах коллектора).
2.3 Частотные
характеристики
Помимо моделирования частотных
свойств схемы с общим эмиттером из моделирования этой же схемы можно также
получить и частотные свойства схемы с общей базой.
Рис. 25. Схема моделирования
частотных свойств биполярного p-n-p транзистора
2.3.1 В схеме с общей
базой
Параметры моделирования:LIN 1000 10 20MegV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D
(alias(*)) NOISE (alias(*))»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 26. Частотная зависимость
коэффициента передачи биполярного p-n-p транзистора при разных токах базы в схеме с общей базой
С ростом частоты растёт шунтирующее
действие барьерных ёмкостей p-n перехода и в токе эмиттера возрастает не связанная с
усилительными свойствами транзистора ёмкостная составляющая тока эмиттера,
поэтому усилительные свойства транзистора ухудшаются. С ростом тока базы
усиливается действие поля, создаваемого подвижными носителями заряда, ускоряющее
движение неосновных носителей заряда. Вследствие этого время пролёта через базу
уменьшается, уменьшается рекомбинация в базе и до коллектора доходит большее
число неосновных носителей заряда.
Параметры моделирования:
AC LIN 1000 10 20Meg
STEP V_V1 LIST 1 5 20
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 27. Частотная зависимость
коэффициента передачи по току биполярного p-n-p транзистора при разных напряжениях
коллектора в схеме с общей базой
При увеличении напряжения на
коллекторе расширяется коллекторный переход, т.е. уменьшается толщина
нейтральной базы, что приводит к увеличению коэффициента передачи.
2.3.2 В схеме с общим
эмиттером
Параметры моделирования:
AC LIN 1000 10 20MegI_I1
LIST 10u 20u 50uV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE
(alias(*))»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 28. Частотная зависимость
коэффициента передачи тока базы в зависимости от выбора рабочей точки
(постоянной составляющей тока базы) в схеме с общим эмиттером
В схеме с общим эмиттером
проявляются те же эффекты, что и в схеме с общей базой. Поэтому влияние рабочих
токов и коллекторного напряжения подобны ранее приведённым.
Параметры моделирования:LIN 1000 10
20MegV_V1 LIST 1 5 20
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 29. Частотная зависимость
коэффициента передачи при разных напряжениях коллектора в схеме с общим
эмиттером
Параметры моделирования:LIN 1000 10
20MegV_V1 LIST 1 5 20
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 30. Частотная зависимость
коэффициентов передачи в схемах с общей базой и общим эмиттером
Из графика видно, что частотные
свойства биполярного транзистора хуже в схеме с общим эмиттером. Различия в
частотных свойствах связаны с тем, что в отличие от схемы с общей базой схеме с
общим эмиттером чувствует фазовый сдвиг между токами, в то время как схема с
общей базой чувствительна только к амплитудам токов.
2.4 Импульсные
характеристики
2.4.1 В схеме с общей
базой
Параметры моделирования:0 0.5u 0 0.001uPARAM Ie LIST 10m 100mV (alias(*)) I (alias(*)) W
(alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 31. Схема моделирования
работы биполярного транзистора на импульсах
Рис. 32. График зависимости тока
коллектора как функции времени при разных токах эмиттера
С ростом тока эмиттера возрастает
количество инжектированных в базу транзистора неосновных носителей заряда, что
увеличивает время их рассасывания.
Параметры моделирования:
STEP PARAM qwe LIST 500u
1m 2m 5mV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 33. Схема моделирования
импульсных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
Рис. 34. Импульсные
характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
С ростом тока базы возрастает
количество инжектированных в базу транзистора неосновных носителей заряда, что
увеличивает время их рассасывания. Как видно из рисунка в режиме насыщения
коллекторный ток не зависит от тока базы.
Параметры моделирования:0 9u 0
0.001u-60 27 125
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 35. Зависимость импульсных
характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером от температуры
С ростом температуры увеличивается
время жизни неосновных носителей заряда что приводит к увеличению времени
рассасывания накопленного заряда, т.е. к снижению быстродействия транзистора.
2.4.3 Схема с диодом
Шоттки
Диод Шоттки - это полупроводниковый
диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего
электрического перехода между металлом и полупроводником.
Рис. 36. Схема моделирования
биполярного транзистора с диодом Шоттки
Параметры моделирования:0 9u 0 0.01uV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*))
NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Диод Шоттки шунтирует коллекторный
переход транзистора, уменьшая степень (глубину) насыщения, что увеличивает
быстродействие импульсной схемы при её выключении.
Рис. 37. Импульсные свойства
биполярного транзистора с диодом Шоттки
2.5 Режимные
зависимости усилительных свойств транзистора
Рис. 38. Схема моделирования
режимных зависимостей биполярного транзистора в схеме с общей базой
Параметры моделирования:
DC LIN I_I1 10u 10m 0.1u
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 39. Зависимости альфа и
бета биполярного транзистора от тока базы при разных U коллектора
2.6 Режимные
зависимости динамических свойств транзистора
Параметры моделирования:
TRAN 0 9u 0 0.01u
STEP V_V1 LIST 5 10 15 20
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 40. Схема моделирования
импульсных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
Рис. 41. Режимные зависимости
импульсных свойств биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
Из графика видно, что время
рассасывания уменьшается с увеличением напряжения на коллекторе, т.к.
уменьшается толщина базы и в ней накапливается меньший заряд.
3.
Моделирование характеристик транзистора Дарлингтона
Составной транзистор (транзистор
Дарлингтона) - объединение двух или более биполярных транзисторов с целью
увеличения коэффициента усиления по току. Такой транзистор используется в
схемах, работающих с большими токами (например, в схемах стабилизаторов
напряжения, выходных каскадов усилителей мощности) и во входных каскадах
усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. До появления
полевых транзисторов этот транзистор использовался в двух основных назначениях:
как элемент с высоким входным сопротивлением и как элемент с большим
коэффициентом усиления по току.
Рис. 42. Схема моделирования
входных, выходных и частотных характеристик транзистора Дарлингтона
3.1 Входная
характеристика
Параметры моделирования:LIN I_I1 0 0.5m 0.01mV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D
(alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 43. Входные характеристики
транзистора Дарлингтона при разных напряжениях коллектора
Как видно из рисунка входное
напряжение складывается из двух падений напряжений на эмиттерных переходах
транзистора.
3.2 Выходная
характеристика
Параметры моделирования:
DC LIN V_V1 0 20 0.01
STEP I_I1 LIST 0 0.2m
0.25m 0.3m 0.35m 0.4m 0.45m 0.5mV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D
(alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 44. Выходные характеристики
транзистора Дарлингтона при разных токах базы
Как видно из графика у транзистора
Дарлингтона выходная ВАХ начинается не с нулевого значения напряжения в отличие
от обычного биполярного транзистора.
3.3
Частотные свойства
Параметры моделирования:LIN 1000 10
2MegV_V1 LIST 10 20 30
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 45. Частотная зависимость
тока транзистора Дарлингтона при разных напряжениях коллектора
С увеличением напряжения на
коллекторе, частотные свойства транзистора Дарлингтона практически не
изменяются. В тоже время заметно существенное ухудшение частотных свойств
транзистора Дарлингтона (из-за последовательного включения двух транзисторов)
по сравнению с обычным биполярным транзистором.
Параметры моделирования:LIN 1000 10 2MegI_I1 LIST 100u 500u 1000uV (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 46. Частотная зависимость
выходного тока транзистора Дарлингтона при разных входных токах
Как видно из графика граничная
частота практически не изменяется с изменением входного тока, в то время как
статический коэффициент усиления изменяется существенно, что хорошо заметно на
графике токовой зависимости статического коэффициента усиления по току от тока
базы приведённым ниже.
Параметры моделирования:
DC LIN I_I1 0.1u 5000u 0.1u
PROBE V (alias(*)) I
(alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 47. График токовой
зависимости статического коэффициента усиления по току от тока базы транзистора
Дарлингтона
Из данного графика видна более
существенная зависимость усилительных свойств транзистора от выбора рабочей
точки.
4.
Моделирование характеристик однопереходного транзистора
Однопереходный транзистор (ОПТ) -
это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и
тремя выводами, переключающие и усилительные свойства которого обусловлены
модуляцией сопротивления базы в результате инжекции в неё неосновных носителей
заряда.
Основой транзистора является
кристалл полупроводника (например n-типа), который называется базой. На концах
кристалла имеются омические контакты Б1 и Б2, между которыми располагается
область, имеющая выпрямляющий контакт Э с полупроводником p-типа, выполняющим
роль эмиттера.
Усилительные и переключающие
свойства ОПТ обусловлены изменением сопротивления базы в результате инжекции в
неё неосновных носителей заряда.
Принцип действия однопереходного
транзистора удобно рассматривать, воспользовавшись эквивалентной схемой, где
верхнее сопротивление и
нижнее сопротивление -
сопротивления между соответствующими выводами базы и эмиттером, а Д -
эмиттерный р-п переход.
Ток, протекающий через сопротивления
и ,
создаёт на первом из них падение напряжения, смещающее диод Д в обратном направлении.
Если напряжение на эмиттере Uэ меньше падения напряжения на сопротивлении - диод Д закрыт, и через него течёт только ток утечки. Когда же
напряжение Uэ становится выше напряжения на сопротивлении , диод начинает пропускать ток в прямом направлении. При этом
сопротивление уменьшается,
что приводит к увеличению тока в цепи Д-, что в свою очередь, вызывает дальнейшее уменьшение сопротивления
. Этот процесс протекает лавинообразно. Сопротивление уменьшается быстрее, чем увеличивается ток через р-n переход, в
результате на вольт-амперной характеристике однопереходного транзистора,
появляется область отрицательного сопротивления. При дальнейшем увеличении тока
зависимость сопротивления от
тока через р-n переход уменьшается, и при значениях больших некоторой величины
Iвыкл сопротивление не зависит от тока (область насыщения).
При уменьшении напряжения смещения
Uсм вольт-амперная характеристика смещается влево и при отсутствии его
обращается в характеристику открытого р-n перехода. Если посмотреть на кривую
на графике зависимости тока эмиттера однопереходного транзистора напряжения
(см. рисунок (a)), видно, что напряжение VE поднимается, ток IЕ возрастает до
значения IP в точке включения. За пределами точки включения, ток возрастает, а
напряжение падает в области отрицательного сопротивления. Напряжение становится
минимальным в так называемой точке впадины. Сопротивление RB1, - сопротивление
насыщения, - будет наименьшим в точке впадины.
Рис. 48. Схема для моделирования
ВАХ однопереходного транзистора
Параметры моделирования:
DC LIN I_I1 0 100mA 0.001mA
TEMP -60 125V (alias(*))
I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 49. ВАХ однопереходного
транзистора
На рисунке хорошо виден падающий
участок - участок отрицательного дифференциального сопротивления.
5.
Моделирование характеристик тиристоров
Тиристор - это полупроводниковый прибор
с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода,
который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
5.1 Триодный тиристор
Триодный тиристор (тринистор) - это
тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод.
Рис. 50. Схема моделирования
триодного тиристора
Параметры моделирования:
DC LIN I_I2 0 10m 0.001m
STEP I_I1 LIST 0 1m 5m
10m 12mV (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 51. График ВАХ триодного
тиристора
С ростом тока управляющего электрода
уменьшается напряжение включения.
5.2 Симметричный
триодный тиристор
Симметричный триодный тиристор
(триак) - это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий
электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях.
5.2.1 Фазовое
(временное) регулирование
Параметры моделирования:
TRAN 0 20ms 0 0.001msV
(alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 52. Схема моделирования
симистора
Рис. 53. График тока через
симистор
На графике заметно изменение времени
открытого состояния тиристора с изменением тока управляющего электрода.
Параметры моделирования:0 15ms 0 0.001msI_I1 LIST -10m 0 10mV (alias(*)) I (alias(*)) W
(alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\SCHEMATIC1.net»
Рис. 54. График напряжения на
симисторе при подаче на него синусоидального напряжения промышленной частоты
Два последних рисунка иллюстрируют
работу симистора в качестве регулятора мощности переменного тока.
Выводы
Данная работа показала, что
компьютерное моделирование является мощным современным методом исследования
характеристик полупроводниковых приборов. В качестве достоинств данного метода
можно отметить безопасность моделирования, быстроту, а большая база электронных
элементов позволяет разнообразить учебный процесс. Данные наработки по
моделированию можно использовать при построении физических аналогов
лабораторных макетов исследованных полупроводниковых приборов.
Список литературы
моделирование
полупроводниковый транзистор характериограф
1. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулишова. Цифровые и
аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. - Москва: Радио и связь, 1989.
2. Егоров А.В. Выпускная квалификационная работы бакалавра.
Тема: Разработка электронных схем лабораторного макета «Исследование
статических характеристик биполярного транзистора».
. А.В. Нефедов. Интегральные микросхемы и их зарубежные
аналоги: Справочник. Том 2. - М.:ИП РадиоСофт, 1998 г. - 640 с.: ил.
. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и
зарубежные аналоги Справочник. - «НТЦ Микротех», 1998 г., 376 с.
. Программный пакет Cadence OrCAD
Capture
6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы:
Учебное пособие. 8-е изд., испр. - СПб.: Изд. «Лань», 2006 г. - 480 с.
Похожие работы на - Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов