TRANZISTORUL

TRANZISTORUL

1 Tranzistorul bipolar

Simbolul si structura tranzistorului bipolar este prezentata in fig 2.26.

Fig. 2.26.a. Simbolul si structura interna a tranzistorului bipolar de tip pnp

Fig. 2.26.b. Simbolul si structura interna a tranzistorului bipolar de tip npn

Pentru caracterizarea modului de distributie a curentilor in baza se introduce

factorul de amplificare in current BC:

Modelul SPICE al tranzistorului bipolar

Formatul de model este :

Q<nume>NC NB NE [NS]<nume model>[aria][OFF][IC=UBE,UCE][TEMP=1]

Exemplu: Q1 10 24 13 QMOD IC=0.6,0.5

Nodurile NC,NB,NE sunt nodurile collector,baza si respective emitor. Optional

se poate introduce nodul substrat NS.Aria este factorul de suprafata. OFF este

cuvant optional pentru conditia initiala in regim de current continuu. Conditiile

initiale sunt luate in considerare daca se foloseste cuvantul cheie UIC in

instructiunea TRAN. Simbolul * sau / in coloana de arie indica daca si care

parametrii sunt multiplicati sau impartiti la coeficientul de suprafata.

Parametrii modelului SPICE se prezinta in continuare exemplificat pentru

N2904,SINPN transistor, 40V, 0.6 A, 250 MHz.

.MODEL QN2904 PNP (IS=381F NF=1 BF=51.5 VAF=113)

+IKF=.14 ISE=46.1P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=20 IKR=.21

+RE=.552 RB=2.21 RC=.221 XTB=1.5 CJE=15.6P CJC=20.8P

+TF=636P TR=63.7N)

Valorile nespecificate prin optiune directa sunt setate automat ca in tabelul 2.1

Raspunsul in curent continuu este definit de parametrii IS,BF,NF,ISE,IKF si

NE, care determina caracteristicile de castig de curent in sens direct.

Caracteristicile de castig de curent in sens invers sunt determinate de parametrii

IS,BR,NR,ISC,IKR si NC. VAF si VAR determina conductanta de iesire pentru

regimuri in sens direct si invers. Sunt valabile trei rezistente ohmice. RB poate fi

dependenta de curent utilizand parametrii IRB si IRM. Sarcina stocata este

modelata prin specificarea duratei de regim tranzitoriu in sens direct si invers

TF si respectiv TR.Durata regimului tranzitoriu direct poate fi dependent de

bariera folosind parametrii XTF,VTF si ITF. Dependenta curentului de

saturatie IS de temperature este determinata de energia EG si de exponentul de

temperatura XTI.

Caracteristica statica de iesire a tranzistorului bipolar

In electronica de putere regimul de functionare in emitor comun este cel mai

des intalnit .Caracteristicile de iesire IC=f(UCE) pentru IB=ct sunt date in

catalog. Trasand dreapta de sarcina in graficul caracteristicii de iesire pentru o

valoare stabilita a curentului de comanda IB se poate calcula rezistenta static de

iesire R=UCEM/ICEM in punctual M al intersectiei celor doua dependente curenttensiune

Circuitul de test este prezentat in figura 2.27 iar fisierul de circuit este dat in continuare

Fig. 2.27. Circuitul pentru determinarea caracteristicilor de iesire ale tranzistorului

CARACTERISTICI DE IESIRE

*SPICE_NET

*DEFINE DMOD=MPSA42

*INCLUDE BJTN.LIB

.MODEL MPSA42 NPN(IS=20.9F NF=1+BF=500 VAF=311 IKF=75M

+ISE=31.6P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=24 IKR=.112 RE=3.31 RB=13.2

+RC=1.32 XTB=1.5 CJE=41.0P CJC=6.8P TF=2.12N TR=85N)

*MOTOROLA 200 VOLT .5AMP 75 MHZ SINPN TRANSISTOR

.DC VECE 0 200 0.1 IB 20M 200M 50M

*ALIAS I(VC)=IC

.PRINT DC I(VC)

IB 0 1

Q1 2 1 0 MPSA42

VC 3 2

VCE 3 0

.END

Pentru cele mai multe valori ale curentului de baza setate pentru analiza

SPICE de curent continuu se prezinta in figura 2.28 rezultatul simularii.

Fig. 2.28. Caracteristicile de ieire ale tranzistorului bipolar

Tranzistorul bipolar in regim de comutatie

Pentru studiul regimului de comutatie al tranzistorului se foloseste circuitul

din figura 2.29. Fisierul de circuit este prezentat in continuare.

CIRCUIT DE TEST PENTRU COMUTATIE

.TRAN 2N 1000N

*DEFINE DUT=MPS3903

*INCLUDE BJTN.LIB

.MODEL MPS3903 NPN (IS=.937F NF=1 BF=445 VAF=113 IKF=70M

+ISE=2.71P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=16 RE=1.81 RB=7.26 RC=.716

+XTB=1.5 CJE=8.17P CJC=5.10P TF=636P TR=297N)

*40VOLT .2 AMP 250MHZ SINPN TRANSISTOR 09-22-1990

*ALIAS V(3)=VOUT

*ALIAS V(1)=VIN

*ALIAS I(V3)=IB

*ALIAS I(V2)=IC

.PRINT TRAN V(3)

+V(1) I(V3) I(V2)

RB 1 2 1 0K

Q1 3 2 0 MPS3903

R2 3 4 275

VCE 4 5 3

C2 3 0 3P

V2 0 5

V3 6 1

VIN 6 0 PULSE -9.1 10.9 0 .1N .1N 300NS 1000NS

.END

Fig. 2.29. Circuitul de test pentru comutatia tranzistorului bipolar

Fig. 2.30. Variatiile curentului de baza si de colector la comutarea tranzistorului bipolar

Intrarea in conductie si blocarea tranzistorului in circuitul de sarcina se face

cu intarziere fata de intrarea si blocarea in regiunea bazei(figura 2.30).Se vor

define timpii: tON -timpul de comutatie directa cuprins intre valoarea de timp a

cresterii curentului de baza 0,1 iBmax si timpul dupa care curentul prin collector

scade la 0,9iCmax si tOFF -timpul de comutatie inversa cuprins intre scaderea

curentului de baza de la 0,9iBmax si la atingerea valorii de 0,1 iCmax .In figura

2.31 sunt reprezentate probele V(1), V(3),I(V3) si I(V2).

Comutarea tranzistorului bipolar se realizeaza rapid la un current de baza

mare.Pentru a suporta regimul de saturatie stationar curentul de baza trebuie

redus in momentul in care curentul prin collector ajunge la valoarea de

saturatie.

Fig. 2.31. Diagrame la comutarea tranzistorului bipolar

2 Tranzistorul unipolar cu effect de camp MOSFET*

Folosit in tehnica curentilor tari tranzistorul unipolar cu effect de camp are la

baza functionarii sale variatia conductivitatii electrice a unui canal

semiconductor cuprins intre doi electrozi numiti drena si sursa.Grila

tranzistorului este un electrod izolat de structura semiconductoare printr-un strat

subtire de bioxid de siliciu.Exista doua tipuri de asemenea tranzistoare:

. MOSFET cu canal indus,la care canalul se formeaza prin aplicarea unei

tensiuni intre grila si substrat;

. MOSFET cu canal initial,obtinut prin doparea corespunzatoare a

suprafetei semiconductoare de sub stratul de SiO2;

Structura de principiu a tranzistorului unipolar MOSFET cu canal initial este

prezentat in figura 2.32.

In figura 2.33 se prezinta structura pe vertical a tranzistorului DMOS si

elementele component de circuit structural echivalente.

Fig. 2.32.a. Simbolul si structura interna pentru MOSFET cu canal initial de tip n

Fig. 2.32.a. Simbolul si structura interna pentru MOSFET cu canal initial de tip p

Fig. 2.33. Structura MOSFET de putere (DMOS)

Modelul SPICE al tranzistorului MOSFET

ISSPICE propune sase nivele de modele MOSFET care difera in mare masura

in functionarea lor.Astfel se pot mentiona :modelul de nivel 1 (MOS1) care este

modelul Schichman-Hodges, modelul de nivel 2 (MOS2) care este un model

analitic , modelul de nivel 3 (MOS3) care este un model semiempiric si modele

cu parametrii generate automat dupa caracterizarea procesului , modelele de

nivel 4 (BSIM1), de nivel 5(BSIM2) si de nivel 6 (MOS6).

Formatul de model al tranzistorului MOSFET este:

M<nume>ND NG NS NB<bume model>[L=lval][W=wval][AD=adval]

[AS=asval]+[PD=pdval][NRD=nrdval][NRS=nrsval][OFF][IC=Uds,Ugs,Ubs]

[TEMP=t]

Unde :

L -lungimea canalului , in metri;

W -latimea canalului,in metri;

AD -aria difuzata a drenei ,in metri patrati;

AS -aria difuzata a sursei ,in metri patrati;

PD -perimetrul drenei,in metri;

PS -perimetrul sursei ,in metri;

NRD-numarul echivalent al ariilor de difuzie in drena;

NRS-numarul echivalent al ariilor de difuzie in sursa;

OFF-cuvant optional pentru conditia initiala de regim de curent continuu;

Uds,Ugs,Ubs sunt valorile tensiunilor pe transistor la momentul initial. Sunt

luate in considerare daca in instructiunea .TRAN se foloseste cuvantul UIC.

Exemple :

M1 24 2 0 20 TYPE1

M31 2 17 6 10 MODM L=5U W=2U

M1 2 9 3 0 MOD1 L=10U W=5U AD=100P

+AS=100P PD=40U PS=40U

Parametrii modelului SPICE pentru nivelele 1,2 si 3 se prezinta in tabelul

Se prezinta in continuare cateva exemple de modele din libraria de tranzistoare

MOSFET:

*SRC=SST211;SST211;MOSFETs N;SWITCHING;10V .05A

.MODEL SST211 NMOS (LEVEL=1 VTO=0.80 KP=1.00E-02

+GAMMA=5.00E-06 PHI=0.75 LAMBDA=1.40E-02

+RD=3.00E+01 RS=3.60E+01 IS=3.25E-14

+CBD=5.13E-12 CBS=6.16E-12 PB=0.80 MJ=.46 TOX=3.00E-07

+CGSO=3.60E-09 CGDO=3.00E-09 CGBDO=2.34E-08)

*10 VOLT 0.050 Amp 50.000 ohm Enh-Mode N-Channel MOS-FET

*SILICONIX

*SRC=MPF990;MPF990;MOSFETs N;Switching;90V 2A

.MODEL MPF990 NMOS (LEVEL=1 VTO=2.00 KP=3.20E-01

+GAMMA=7.29E-07 PHI=0.75 LAMBDA=4.50E-05 RS=1.42E+00

+IS=2.78E-13 CBD=1.50E-10 CBS=1.80E-10 PB=0.80 MJ=.46

+CGSO=1.56E-07 CGDO=1.30E-07 CGBO=3.14E-07)

*90Volt 2.000Amp 1.200ohm Enh-Mode N-Channel MOS-FET

*MOTOROLA

*SRC=IRF150;IRF150;MOSFETs N;Power<=100V;100V 28A

*SYM=POWMOSN

.SUBCKT IRF150 10 20 30

*TERMINALS: D G S

M1 1 2 3 3 DMOS L=1U W=1U

RG 20 2 5.35

RD 10 1 4.3M

RDS 1 3 635K

CGD 4 1 2.75N

RCG 4 1 10MEG

MCG 4 5 2 2 SW L=1U W=1U

ECG 5 2 2 1 1

DGD 2 6 DCGD

MDG 6 7 1 1 SW L=1U W=1U

EDG 7 1 1 2 1

DDS 3 1 DSUB

LS 30 3 7.5N

.MODEL DMOS NMOS(LEVEL=3 VMAX=1.6MEG THETA=265.6M

+VTO=3.3 KP=9 RS=8.12M IS=2.01P CGSO=2.65M)

.MODEL SW NMOS (LEVEL=3 VTO=0 KP=.45)

.MODEL DCGD D(CJO=2.75N M=.5 VJ=.41)

.MODEL DSUB D(IS=2.01P RS=5.20M VJ=.8 M=.4 CJO=2.60N TT=720N)

.ENDS

*IR 100 Volt 28 Amp 45 M Ohm N-Channel Power MOS-FET

Caracteristicile statice ale mosfet de putere

Reprezinta dependentele ID=f(UDS) pentru valori UGS constante. Circuitul de

test este prezentat in figura 2.34 iar fisierul de circuit este dat in continuare. Este

analizat tranzistorul MOSFET de tip IRF150.

Fig. 2.34. Circuit de test pentru determinarea caracteristicilor ????????????

Fig. 2.35. Caracteristicile statice de iesire ale tranzistorului unipolar cu efect de camp

Tranzistorul unipolar MOS in regim de comutatie

Pentru studiul regimului de comutatie se foloseste circuitul din figura 2.36.

Fisierul de circuit este prezentat in continuare.

Fig. 2.36. Circuit de test pentru studiul comutatiei tranzistorului MOS cu efect de camp pe sarcina rezistiv-inductiva

Variatiile curentului prin circuitul de sarcina si a tensiunii UDS in timp sunt

prezentate in figura 2.37.Puterea instantanee disipata pe tranzistor se poate

calcula folosind relatia:

PD(t)=iD(t)*uDS(t)

Fig. 2.37. Procesul de comutatie al tranzistorului unipolar