Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

60. Схема моделирования температурных зависимостей передаточных характеристик МДП полевых транзисторов с n и p каналами

 

 

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 -4 7 0.001

.TEMP -60 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

61. График температурных зависимостей передаточных характеристик МДП полевых транзисторов с n и p каналами

 

С ростом температуры падает подвижность носителей зарядов из-за увеличения тепловых колебаний решётки, а их концентрация с ростом температуры увеличивается.

 

2. Полевые транзисторы с p-n переходом в качестве затвора

1. Передаточная характеристика p-канального полевого транзистора

62. Схема моделирования передаточной характеристики p-канального полевого транзистора с p-n переходом в качестве затвора

 

 

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0 20 0.0001

.STEP V_V2 LIST 5 10

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

63. Передаточная  характеристика p-канального полевого транзистора с p-n переходом в качестве затвора при разных напряжениях на стоке

 

С ростом напряжения увеличивается дрейфовая скорость носителей зарядов в канале, следовательно, возрастает и ток.

 

2. Выходная характеристика p-канального полевого транзистора

64. Схема моделирования выходной характеристики p-канального полевого транзистора с p-n переходом в качестве затвора

 

 

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V2 0 10 0.001

.STEP V_V1 LIST 0.5 1 1.5

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

65. График выходной характеристики p-канального полевого транзистора с p-n                      переходом в качестве затвора при разных напряжениях на затворе

 

С ростом обратного напряжения на p-n переходе затвора увеличивается ширина объёмного заряда p-n перехода, следовательно, снижается сечение проводящего канала, растет его сопротивление и протекающий по каналу ток.

 

3. Температурная зависимость выходной характеристики p-канального полевого транзистора

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V2 0 10 0.001

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

66. Температурная зависимость выходной характеристики p-канального полевого транзистора с p-n переходом в качестве затвора при разных напряжениях на затворе

 

Рост температуры приводит к снижению подвижности носителей заряда в канале и как следствие к уменьшению тока стока.

 

7. Моделирование характеристик IGBT транзистора

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются типом транзистора, который появился сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного.

IGBT транзистор в разрезе

В литературе этот прибор называют IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). По быстродействию они значительно превосходят биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения 0,2 - 0,4 мкс, а время выключения 0,2 - 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи 1200 А.

 

69. Схема для моделирования характеристик IGBT транзистора

 

1. Выходная характеристика

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V2 0 100 0.1

.STEP V_V1 LIST 0 2 4 6 8 10

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

70. График зависимости тока коллектора от напряжения на коллекторе IGBT транзистора при различных напряжениях на затворе

 

Видно, что график выходной ВАХ транзистора начинается не из начала координат, а при напряжении на коллекторе, превышающем пороговое напряжение.

 

2. Характеристика передачи

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0 10 0.1

+ V_V2 LIST 5 10

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

71. График зависимости тока коллектора от напряжения на базе IGBT транзистора при двух различных напряжениях на коллекторе

 

Из данного графика видно, что пороговое напряжение для этого IGBT транзистора примерно составляет 3.5 В.

 

3. Температурная зависимость характеристики передачи

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0 10 0.1

+ V_V2 LIST 5 10

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

72. Температурная зависимость тока коллектора от напряжения на базе IGBT транзистора при двух различных напряжениях на коллекторе

 

С ростом температуры увеличивается коэффициент усиления биполярного транзистора, что приводит к росту тока коллектора. Это связано с увеличением времени жизни неосновных носителей зарядов.

 

8. Моделирование характеристик диодов

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим (p-n) переходом или выпрямляющим контактом метал-полупроводник и двумя выводами (электродами).

 

1. Вольт-амперные характеристики диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение диода на постоянном токе.

73. Схемы моделирования ВАХ диода. Левая для прямой ветви, правая для обратной ветви.

 

Как видно, схемы моделирования прямой и обратной ветвей отличаются. Это следует из принципа работы диода. При моделировании прямой ветви ВАХ диода, должен задаваться ток, поскольку рабочим механизмом при протекании прямого тока является инжекция не основных носителей заряда (сильная зависимость прямого тока от напряжения). На обратной ветви ток до наступления пробоя слабо зависит от напряжения. Такая модель является хорошо обусловленной, или адекватной, что обеспечивает минимальные погрешности при моделировании.

 

1. Прямая ветвь ВАХ диода и её температурная зависимость

Параметры моделирования:

.DC LIN I_I1 0 500m 0.1m

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

74. График прямой ветви ВАХ диода.

 

При повышении температуры падение напряжения на диоде уменьшается из-за снижения высоты потенциального барьера (становится уже ЗЗ).

 

2. Обратная ветвь ВАХ диода и её температурная зависимость

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0 125 0.01

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

75. График тока через диод при малых обратных напряжениях и различных температурах.

 

При низких температурах видно, что зависимость тока характерна для генерационной природы тока, а при повышенных температурах наблюдается насыщение тока, что характерно для диффузионной природы обратного тока.

 

3. Обратная ветвь ВАХ диода и её температурная зависимость. Область пробоя

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 119 125 0.0001

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

76. График тока через диод при больших обратных напряжениях и различных температурах.

 

77. Начальный участок графика тока через диод при больших обратных напряжениях и различных температурах.

 

2. В начальной области ток определяется свойствами p-n перехода, а при больших токах ограничивающим действием сопротивления нейтральных областей диодной структуры. На этом участке можно определить сопротивление нейтральных областей. 
   Динамические характеристики диода

1. На гармоническом сигнале

78. Схема моделирования зависимости тока диода от частоты и температуры.

 

 

1. Временная зависимость тока через диод

Параметры моделирования:

.TRAN  0 0.01u 0 0.0001u

.STEP PARAM qwe LIST 1 5 10 20

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

79. Временная зависимость тока через диод от амплитуды выпрямляемого напряжения

 

С ростом амплитуды выпрямляемого напряжения увеличивается инжектированный в базу диода заряд, на рассасывание которого требуется больше времени, поэтому с ростом амплитуды прямого напряжения увеличивается время восстановления обратного сопротивления диода.

 

2. Зависимость динамических свойств диода от температуры

Параметры моделирования:

.TRAN  0 0.01u 0 0.0001u

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

80. Влияние температуры на динамические свойства диода

 

Так как с ростом температуры увеличивается время жизни неосновных носителей, заряда инжектированных в базу диода, то увеличивается и время восстановления обратного сопротивления диода. С ростом частоты и температуры ухудшаются динамические свойства диода.

 

2. На импульсном сигнале

81. Схема моделирования переключательных свойств диода

 

 

Параметры моделирования:

.TRAN  0 0.45ns 0 0.0001ns

.STEP PARAM qwe LIST 1 3 5

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

82. Временные зависимости тока диода при подаче прямоугольного импульса напряжения

 

С ростом амплитуды прямого напряжения увеличивается как амплитуда прямого тока, так и время рассасывания накопленного заряда, т.е. снижается быстродействие диода.

 

1. Температурный анализ импульсных свойств диода

Параметры моделирования:

.TRAN  0 0.45ns 0 0.0001ns

.TEMP -60 27 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

83. Ток диода при различных температурах

 

С ростом температуры увеличивается время жизни неосновных носителей, заряда инжектированных в базу диода, поэтому увеличивается и время восстановления обратного сопротивления диода. С ростом частоты и температуры ухудшаются динамические свойства диода.

 

 

3. Ёмкостные свойства диода

Прямое моделирование ёмкостных свойств диода в программе Cadance OrCaD Capture невозможно, однако можно предложить простой способ определения барьерной ёмкости по изменению обратного тока при воздействии импульсного сигнала.

Iс бар=Сбар*(dU/dt)

Отсюда Cбар= Iс бар/(dU/dt). Если U=k*t то

Сбар= Iс бар/k.

 

84. Схема моделирования ёмкостных свойств диода

 

 

Параметры моделирования:

.TRAN  0 0.9ms 0.001ms

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

85. График зависимости барьерной ёмкости от напряжения.

 

Как видно из графика, ёмкость уменьшается с ростом обратного напряжения смещения на диоде из-за расширения электронно-дырочного перехода. 
По результатам расчета определяется Fi контактная и характер распределения примесей (линейный p-n переход либо резкий p-n переход). Как видно из графика, ближе к линейной зависимости график функции 1/Cбар^3, т.е. можно сделать вывод что исследованный диод имеет линейное распределение примесей. Перенесение этой функции с осью абсцисс даёт значение контактной разности потенциалов  0.7 В.

 

86. Графики зависимости от напряжения 1/Сбар^2 и 1/Сбар^3

 

Возможны и другие способы определения Сбар по результатам исследования резонансных частот параллельного или последовательного резонансного контура в котором в качестве ёмкости используется барьерная ёмкость p-n перехода.

 

4. Стабилитрон как формирователь прямоугольных импульсов

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

 

87. Схема использования стабилитрона как формирователя прямоугольных разнополярных импульсов