Модели биполярных и полевых транзисторов

В базе данных элементов СВЧ инструментальной среды проектирования AWR MWO имеются сведения о моделях применяемых транзисторов, их параметрах.

Модели биполярных транзисторов

Рассмотрим модели биполярных плоскостных транзисторов BJT (Bipolar Junction Ttransistors) и гетеротранзисторов HBT (Heterojunction Bipolar Transistors), которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.

Простейшей моделью плоскостного транзистора технологии BJT является модель Ebers-Молл [55], представленной на рис.1.18.

Эта модель адекватно описывает динамику работы транзистора во многих случаях. Однако она не учитывает инерционные явления, которые возникают благодаря инерционности заряда в базе транзистора.

Модель Gummel-Poon [56], представленная на рис.1.19, учитывает эти важные явления, не включенные в модель Ebers-Молл.

Рисунок 1.18 – Модель Ebers-Молл транзистора технологии BJT

Рисунок 1.19 – Модель Gummel-Poon транзистора технологии BJT

Модель Gurnmel-Poon иногда называют зарядовой моделью [1, 12], потому что она описывает ток коллектора как функцию количества заряда в базе.

В инструментальной среде AWR MWO, модель Gurnmel-Poon имеет вид, представленный на рис.1.20.

Рисунок 1.20 – Модель Gummel-Poon транзистора технологии BJT в инструментальной среде AWR MWO

SPICE-параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, можно классифицировать следующим образом [38]:

- параметры транзистора по постоянному току;

- параметры паразитных сопротивлений переходов;

- емкостные параметры переходов;

- параметры подложки.

Параметры модели Gummel-Poon определяются типом выбранного транзистора.

В инструментальной среде AWR MWO имеется библиотека SPICE-параметров для транзисторов BJT. Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (NEC, Philips, Motorola), содержащие SPICE-параметры биполярных транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.1.21).

Выбранным биполярным транзисторам BJT, исходя из требований технического задания при решении конкретных задач по диапазону рабочих частот, коэффициенту усиления, выходной мощности, собственным шумам, нелинейным искажениям, температурным режимам, помимо модели Gummel-Poon могут соответствовать другие модели, в частности, модели Mextram, VBIC (рис.1.22, 1.23).

Рисунок 1.21 – Диалоговое окно ввода SPICE-параметров

транзисторов BJT модели Gummel-Poon

По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем.

Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств биполярного транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик. Модель VBIC применяется в транзисторах, параметры которых критичны к температурным режимам. При высоких требованиях к мощности выходного сигнала наиболее эффективна модель Gummel-Poon.

Рисунок 1.22 – Модель Mextram транзистора технологии BJT

в инструментальной среде AWR MWO

Рисунок 1.23 – Модель VBIC транзистора технологии BJT

в инструментальной среде AWR MWO

Перейдем к рассмотрению моделей биполярных гетеротранзисторов HBT.

Биполярный транзистор на гетеропереходах, обладает рядом преимуществ по сравнению биполярным плоскостным транзистором BJT. Комбинация широкозонного эмиттера и узкозонной базы, малая толщина базы и высокая подвижность электронов обуславливают хорошие высокочастотные характеристики. Модель биполярного гетеротранзистора HBT представлена на рис.1.24.

Рисунок 1.24 – Модель Anholt транзистора технологии HBT

в инструментальной среде AWR MWO

В настоящее время область применения биполярных транзисторов разнообразна [57, 58] – мощные высокочастотные (ВЧ) усилители и автогенераторы в передающих устройствах, малошумящие усилители приемников, широкополосные усилители для мобильных беспроводных систем связи и т.д.

Модели полевых транзисторов

Перейдем к рассмотрению моделей полевых транзисторов, применяемых в при проектирования телекоммуникационных устройств.

В базе данных инструментальной среды проектирования AWR MWO имеются сведения о моделях следующих полевых транзисторов:

- с управляющим переходом JFET(junction field-effect transistor);

- на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки) MESFET (metal semiconductor field-effect transistor);

- на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor);

- с высокой подвижностью электронов HEMT (high electron mobility transistor);

- на гетероструктурах HFET (heterostructure field-effect transistor).

Приведем модели каждого из перечисленных выше полевых транзисторов.

JFET(junction field-effect transistor) - полевой транзистор с управляющим переходом является самым простым и дешевым прибором. Транзисторов JFET находит применение на частотах до нескольких сотен МГц. Подача смещения между затвором и стоком приводит к изменению размера области пространственного заряда перехода затвор-канал (управляющий p-n переход). При этом изменяется сечение проводящего канала для носителей заряда, соответственно, изменяется проводимость канала. На рис.1.25 приведена модель полевого транзистора технологии JFET

MESFET (metal semiconductor field-effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки)

Инерционность процессов в затворе на один-два порядка меньше, чем у полевых транзисторов с p-n –переходами и МДП транзисторами (MOSFET ). Кроме того, технология изготовления барьера Шотки позволяет уменьшать межэлектродные расстояния вплоть до субмикронных размеров. Это, а также получение больших скоростей пролета носителей при относительно низкой напряженности поля в арсениде галлия по сравнению с кремнием позволяет существенно повысить граничную частоту усиления.

Рисунок 1.25 – Модель полевого транзистора

технологии JFET в инструментальной среде AWR MWO

Мощные полевые транзисторы с барьером Шотки превосходят биполярные транзисторы по уровню мощности и КПДна высоких частотах.

На рис.1.26 приведена модель полевого транзистора технологии MESFET.

MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор.

МОП структура, наиболее широко используемая технология производства транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида SiO2. В общем случае структуру называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного из двух типов: n-или p.

Вся современная цифровая техника основана на транзисторах, созданных по технологии МДП. Международный термин – MOSFET. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора, логики и т. п.

Рисунок 1.26 – Модель полевого транзистора технологии MESFET в инструментальной среде AWR MWO

Размеры современных транзисторов составляют от 130 до 45 нм. На одном чипе (обычно размером 1-2 см²) размещаются сотни миллионов МОП транзисторов. В ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции до миллиардов транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОП транзисторов приводит также к повышению быстродействия процессоров (тактовой частоты). Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП транзисторов.

МДП-транзисторы находят также применение в области телекоммуникаций [3] при построении автогенераторов и усилителей мощности.

На рис.1.27 приведена модель полевого транзистора технологии MOSFET.

Рисунок 1.27 – Модель полевого транзистора технологии MOSFET в инструментальной среде AWR MWO

HEMT (high electron mobility transistor) - транзистор с высокой подвижностью электронов (другие названия: транзистор на селективно легированной гетероструктуре или транзистор с двумерным электронным газом) относится к типу полевых (рис.1.28). Отличие от последних заключается в том, что проводящий канал в HEMT транзисторе целенаправленно создается нелегированным (в полевом транзисторе канал n- или p-типа) для увеличения подвижности носителей заряда в канале, и, следовательно, быстродействия прибора.

HFET (heterostructure field-effect transistor) - полевой транзистор на гетероструктурах.

Из рассмотренных выше полевых транзисторов технология HFET является в настоящее время наиболее перспективной по мощности, частотному диапазону, КПД и надежности.

Рисунок 1.28 – Модель полевого транзистора технологии HEMT в инструментальной среде AWR MWO

На сайте компании Excelics Semiconuctor [62] представлены технические характеристики высокоэффективных мощных арсенид галлиевых транзисторов на гетероструктурах (High Efficiency Heterojunction Power FETs). Модель HFET транзисторов в инструментальной среде AWR MWO имеет вид, представленной на рис.1.29.

SPICE–параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, определяются типом выбранного транзистора.

В инструментальной среде AWR MWO имеется библиотека SPICE-параметров для транзисторов JFET, MESFET, MOSFET, HEMT, HFET. Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola и др.), содержащие SPICE-параметры полевых транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.1.30).

По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем. Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств полевого транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик.

Рисунок 1.29 – Модель полевого транзистора технологии HFET в инструментальной среде AWR MWO

---

Дата добавления: 2015-08-03