Возможности применения компьютерного моделирования для изучения характеристик традиционных полупроводниковых приборов. Схемы исследования биполярного транзистора методом характериографа, а также моделирование характеристик однопереходного транзистора.
При низкой оригинальности работы "Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
В отличие от первой схемы с помощью, которой можно исследовать только p-n-p транзисторы, вторая схема позволяет исследовать p-n-p и n-p-n транзисторы. Схема построена для исследования выходных вольт-амперных характеристик транзистора n-p-n. Сняв зависимость коллекторного тока исследуемого транзистора от напряжения на коллекторе, мы получим семь кривых коллекторного тока (выходных характеристик) исследуемого транзистора в зависимости от различных токов базы. В базу подаются дискретизированные по уровням токи, на коллектор подается пилообразное напряжение развертки; Для транзистора p-n-p следует сформировать базовые токи другого направления (вытекающие из транзистора) и для подобной схемы вместо счетчика К155ИЕ5 (74193) используется аналоговый коммутатор К590КН6 (ADG408B), в прочем работу самого аналогового коммутатора обеспечивает тот же самый счетчик К155ИЕ5.Данная работа показала, что компьютерное моделирование является мощным современным методом исследования характеристик полупроводниковых приборов.
Введение
В данной работе исследуются возможности применения компьютерного моделирования для изучения характеристик традиционных полупроводниковых приборов. Эта работа фактически позволяет заменить существующие лабораторные работы их компьютерными аналогами, а широкая база имеющихся библиотек электронных компонентов - существенно разнообразить учебные исследования. Имеющиеся библиотеки электронных компонентов позволили даже вернуться к изучению таких приборов как, например варисторы, термисторы, а также добавить к уже существующим в учебном классе лабораторным работам исследования IGBT транзисторов, однопереходных транзисторов и т.д.
Особо стоит отметить то, что впервые с учебной целью было осуществлено цифроаналоговое моделирование электронных схем, в частности разработана схема характериографа исследования биполярного транзистора как n-p-n, так и p-n-p структуры.
В работе приводится описания схем и режимов моделирования, основных статических и динамических характеристик нелинейных полупроводниковых приборов.
1.
Схемы исследования биполярного транзистора методом характериографа
Метод характериографа при исследовании вольт-амперных характеристик биполярного транзистора позволяет наглядно продемонстрировать зависимости, что облегчает процесс обучения. Разработаны два варианта характериографа - с использованием цифрового устройства (ТТЛ счетчика - К155ИЕ5 (74193)) формирования входных токов транзистора и коммутатора входных токов с использованием аналогового ключа на основе микросхемы К590КН6. В отличие от первой схемы с помощью, которой можно исследовать только p-n-p транзисторы, вторая схема позволяет исследовать p-n-p и n-p-n транзисторы.
1.1 Схема на основе синхронного 4-разрядного двоичного счетчика с двойной синхронизацией К155ИЕ5 (74193)
Данная схема позволяет получить на экране характериографа одновременно 8 зависимостей тока коллектора от базового тока. Схема построена для исследования выходных вольт-амперных характеристик транзистора n-p-n. Далее приведена схема устройства, перечень и описание ее элементов, а также графики токов и напряжений в ключевых узлах схемы и пояснения к ним. Схема разделена на две части, схему формирования токов базы исследуемого транзистора и схему формирования напряжения коллектора исследуемого транзистора. В части, формирующей токи базы исследуемого транзистора, ключевую роль играет цифровой счетчик К155ИЕ5. Три из четырех его выходов присоединены через резисторы различных номиналов, отличающихся в 2 раза (400, 800 и 1600 КОМ) к базе исследуемого транзистора, таким образом, мы получаем три различных тока на выходе. В итоге при работе счетчика мы получаем семь (если не считать нулевой ток) различных уровней базового тока путем сложения во всех возможных комбинациях трех вышеописанных токов. Вторая часть схемы представляет собой цепочку из трех операционных усилителей формирующих пилообразное развертывающее напряжение на коллекторе исследуемого транзистора. Подробнее работа этих операционных усилителей с графиками выходных напряжений описана ниже в пункте 1.1.3. Обе части схемы питаются от разных источников синусоидального напряжения, что связано с особенностями компьютерного моделирования. Таким образом, мы получаем семь различных токов базы исследуемого транзистора и линейно увеличивающееся напряжение на коллекторе. Сняв зависимость коллекторного тока исследуемого транзистора от напряжения на коллекторе, мы получим семь кривых коллекторного тока (выходных характеристик) исследуемого транзистора в зависимости от различных токов базы.
Рис. 1. Схема исследования биполярного транзистора методом характериографа на основе цифрового счетчика К155ИЕ5
R9, R3, R4 - резисторы со специально подобранными номиналами (400 КОМ, 800 КОМ, 1.6 Мом), позволяют формировать разные уровни токов базы транзистора Q3;
D5, D6, D7 - диоды, уменьшают взаимное влияние базовых токов;
U4B - операционный усилитель, формирует прямоугольный сигнал из синусоидального за счет большого коэффициента усиления;
U3A - операционный усилитель, является интегрирующим и из прямоугольного сигнала формирует пилообразный сигнал;
U5A - операционный усилитель, является инвертирующим и формирует напряжение коллектора исследуемого транзистора Q3. Буферный элемент, исключает влияние транзистора Q3 на источник развертывающего пилообразного напряжения;
Q3 (Q2N2222) - исследуемый транзистор. В базу подаются дискретизированные по уровням токи, на коллектор подается пилообразное напряжение развертки;
R5 - резистор, с которого снимается напряжение, пропорциональное току коллектора (реально току эмиттера).
Основные параметры и характеристики синхронного 4-разрядного двоичного счетчика с двойной синхронизацией К155ИЕ5 (74193)
Микросхема представляет собой двоичный счетчик. Каждая ИС состоит из четырех JK-триггеров, образуя счетчик делитель на 2, 4 и 8. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и одновременно возвращают все триггеры в состояние низкого уровня (на входы R0 (1) и R0 (2) подается высокий уровень). Выход Q1 не соединен с последующими триггерами. Если ИС используется как четырехразрядный двоичный счетчик, то счетные импульсы подаются на С1, а если как трехразрядный-то на вход С2. Корпус К155ИЕ5 типа 201.14-1. Зарубежные аналоги 74193, SN7493N, SN7493J.
Таблица 1. Электрические параметры счетчика
1 Номинальное напряжение питания 5 В 5%
2 Выходное напряжение низкого уровня при Uп=4,75 В не более 0,4 В
3 Выходное напряжение высокого уровня при Uп=4,75 В не менее 2,4 В
4 Напряжение на антизвонном диоде при Uп=4,75 В не менее 1,5 В
5 Входной ток низкого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В не более -1,6 МА
6 Входной ток низкого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В не более -3,2 МА
7 Входной ток высокого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В не более -0,04 МА
8 Входной ток высокого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В не более 0,08 МА
9 Ток входного пробивного напряжения по входам установки в 0 и счетным входам С1 и С2 не более 1 МА
10 Ток потребления не более 53 МА
11 Время задержки распространения при включении по счетному входу С1 при Uп=5 В не более 135 нс
12 Время задержки распространения при выключении по счетному входу С1 при Uп=5 В не более 135 нс
13 Ток короткого замыкания ПРИUП=5,25 В -18…57 МА
Таблица 2. Предельно допустимые режимы эксплуатации
1 Напряжение питания не более 6 В
2 Минимальное напряжение на входе -0,4 В
3 Максимальное напряжение на входе 5,5 В
4 Минимальное напряжение на выходе -0,3 В
5 Максимальное напряжение на выходе закрытой ИС 5,25 В
Рис. 8. Напряжения, подаваемые на входы счетчика 74193
Рис. 9. Цифровые сигналы на выходе счетчика 74193
Рис. 10. Напряжения на резисторах R3, R4, R9.
Рис. 11. Токи базы транзистора Q3
1.1.3 Формирование напряжения на коллекторе
Далее приведены графики, поэтапно показывающие, как формируется развертывающее напряжение коллектора для исследуемого транзистора Q3. Операционный усилитель U4B формирует прямоугольный сигнал из синусоидального напряжения за счет большого коэффициента усиления. ОУ U3A является интегрирующим и из прямоугольного сигнала формирует пилообразный сигнал. ОУ U5A является инвертирующим и формирует напряжение коллектора исследуемого транзистора Q3.
Рис. 13. Токи коллектора и эмиттера транзистора Q3
Рис. 14. Напряжение на эмиттере транзистора Q3
Рис. 15. График выходной вольт-амперной характеристики транзистора Q3 при разных токах базы
1.2
Схема на основе аналогового коммутатора К590КН6
Для транзистора p-n-p следует сформировать базовые токи другого направления (вытекающие из транзистора) и для подобной схемы вместо счетчика К155ИЕ5 (74193) используется аналоговый коммутатор К590КН6 (ADG408B), в прочем работу самого аналогового коммутатора обеспечивает тот же самый счетчик К155ИЕ5. Принципиальная схема данного формирователя представлена на рис. 16.
Рис. 16. Схема исследования биполярного транзистора методом характериографа на основе микросхемы К590КН6
1.2.1 Описание элементов
Основные параметры и характеристики восьмиканального аналогового коммутатора с дешифратором К590КН6
Микросхемы К590КН6 (зарубежный аналог ADG408B) представляют собой восьмиканальный аналоговый коммутатор с дешифратором и предназначены для коммутации цифровых и аналоговых сигналов в системах сбора и обработки информации, АЦП и ЦАП. Эти схемы совместимы со схемами ТТЛ.
Содержат 230 интегральных элементов.
Корпус типа 402.16-18, масса не более 2 г.
Напряжение питания: ±15 ±10% В.
Рабочая температура: -60… 85°С.
Rk=300 Ом; Uk=15 В; Тв=300 нс
Основные параметры биполярного p-n-p транзистора BF821
Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si)
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 счетчика 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 счетчиком 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 счетчика К155ИЕ5 и подробно описана выше в пункте 1.1.3.
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
Параметры моделирования: DC LIN I_I1 0 10m 0.001m
STEP V_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.
Параметры моделирования: DC LIN V_V1 -1 20 0.01
STEP I_I1 LIST 1m 2m 3m 4m 5m
PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
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
Параметры моделирования: DC LIN V_V1 0 20 0.01
STEP I_I1 LIST 0 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m
PROBE V (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 изза модуляции толщины базовой области транзистора коллекторным напряжением.
Параметры моделирования: DC LIN V_V1 0.001 400m 0.0001
STEP I_I1 LIST 0.1m 0.3m 0.5m
PROBE V (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.
Параметры моделирования: DC LIN I_I1 10u 500u 0.01u
STEP V_V1 LIST 1 10
PROBE V (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 изза увеличения концентрации неосновных носителей в базе при больших токах коллектора).
Помимо моделирования частотных свойств схемы с общим эмиттером из моделирования этой же схемы можно также получить и частотные свойства схемы с общей базой.
PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\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 растет шунтирующее действие барьерных емкостей p-n перехода и в токе эмиттера возрастает не связанная с усилительными свойствами транзистора емкостная 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 пролета 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 20Meg
STEP I_I1 LIST 10u 20u 50u
PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\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 приведенным.
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. 29. Частотная зависимость коэффициента передачи при разных напряжениях коллектора в схеме с общим эмиттером
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. 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.
2.4.1 В схеме с общей базой
Параметры моделирования: TRAN 0 0.5u 0 0.001u
STEP PARAM Ie LIST 10m 100m
PROBE V (alias(*)) I (alias(*)) W (alias(*)) D (alias(*)) NOISE (alias(*))
INC»..\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.
2.4.2 В схеме с общим эмиттером
Параметры моделирования: STEP PARAM qwe LIST 500u 1m 2m 5m
PROBE V (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: TRAN 0 9u 0 0.001u
TEMP -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: TRAN 0 9u 0 0.01u
PROBE V (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 ее 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.
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.
PROBE V (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: AC LIN 1000 10 2Meg
STEP V_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 (изза последовательного включения двух транзисторов) по сравнению с обычным биполярным транзистором.
Параметры моделирования: AC LIN 1000 10 2Meg
STEP I_I1 LIST 100u 500u 1000u
PROBE V (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 приведенным 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.
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 нее 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 р-типа, выполняющим роль эмиттера.
Усилительные и переключающие свойства ОПТ обусловлены изменением сопротивления базы в результате инжекции в нее 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 , создает 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 течет 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 Івыкл сопротивление не зависит от тока (область насыщения).
При уменьшении напряжения смещения Ucm 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 ІЕ 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 -60 125
PROBE V (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 12m
PROBE V (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 0.001ms
PROBE V (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: TRAN 0 15ms 0 0.001ms
STEP I_I1 LIST -10m 0 10m
PROBE V (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.
Вывод
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.
