SPICE-МОДЕЛЬ БИПОЛЯРНОГО СТАТИЧЕСКОГО ИНДУКЦИОННОГО ТРАНЗИСТОРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

биполярного транзистора [7]. Ток источника тока коллектор-эмиттер модели Гуммеля-Пуна равен:

БЕ • !ш - БЯ • Л

I =

Ъе\

Оъ

где 1ъе1, !ьс1 - токи диодов, моделирующих эмиттерный и коллекторный р-и-переходы биполярного транзистора, А; параметры модели БЕ, БЯ - коэффициенты передачи тока в нормальном и инверсном режиме; Оъ - отношение заряда основных носителей в базе к заряду основных носителей в базе при нулевых смещениях на переходе:

Оъ =

(

1 +

1 + 4| БЕ

211 -

■ 1ъе1 + БЯ1ъс1

1КЕ' 1КЯ

иъс иъе |

УАЕ УАЯ )

чж

Здесь 1КЕ, 1КЯ - токи начала спада зависимости коэффициента передачи тока от тока коллектора в нормальном режиме и тока эмиттера в инверсном режиме соответственно, А; УЛЕ, УАЯ - напряжения Эрли в нормальном и инверсном режиме соответственно, В; ЫК - коэффициент, близкий к 0,5.

Для повышения точности расчета выходных ВАХ БСИТ в режиме насыщения предлагается модифицировать модель Гуммеля-Пуна. При этом модифицированная модель должна обладать симметрией относительно выводов коллектора и эмиттера, а результаты моделирования входных и передаточных характеристик должны соответствовать результатам, получаемым при использовании модели Гуммеля-Пуна.

Режим насыщения характеризуется одновременным прямым смещением диодов модели, обозначающих р-и-переходы база-эмиттер и база-коллектор. Следовательно, режим насыщения имеет место, когда произведение токов диодов база-эмиттер и база-коллектор на несколько порядков больше произведения их токов насыщения. Предлагается изменить уравнение тока коллектор-эмиттер модели Гуммеля-Пуна, введя величину, пропорциональную произведению 1Ъе1 • 1Ъс1:

1 = БЕ • 1ъе1 - БЯ • 1ъс1

а

ББ1Т

(1)

Здесь аБз1Т - безразмерная величина:

а

1+

(

1 + 4

БЕ + БЯ+ ББ( БЕ || БЯ1^ 1КЕ 1КЯ \ 1КЕ Л 1КЯ

ЫК

ББ1Т

2

(2)

Для повышения точности моделирования режима насыщения БСИТ в уравнение тока коллектор-эмиттер модифицированной модели введено слагаемое

( 1 У 1

ББ

БЕ^^ 1КЕ

БЯ

1КЯ

где БВ - формальный параметр модели.

БРЮЕ-модель биполярного статического индукционного транзистора

При обратном напряжении диодов коллектор-база или эмиттер-база это слагаемое в числителе формулы (2) мало по сравнению с суммой, т.е. параметр ВВ не влияет на результаты моделирования входных и передаточных характеристик в активном режиме. Уравнение (1) сохраняет симметрию относительно выводов коллектора и эмиттера. Практическое моделирование также не выявило снижения сходимости вычислений либо заметного увеличения затрат машинного времени. Влияние параметра модели ВВ проявляется как уменьшение статического коэффициента передачи тока в режиме насыщения модели БСИТ.

Методика идентификации значений параметров модели БСИТ. Предлагается методика идентификации значений параметров модели БСИТ, включающая в себя четыре цикла измерений.

В первом цикле измеряется статический коэффициент передачи тока при нормальном и инверсном включении (метод п. 1.1 ГОСТ 18604.2-80, частота следования импульсов 50 Гц, скважность 100). При обработке результатов определяются параметры В¥, /КТ, ВЯ, /КЯ, ЫК. Как следует из уравнения (1), результаты моделирования передаточных характеристик инвариантны относительно всех прочих параметров модели.

Во втором цикле измеряется напряжение база-эмиттер при замкнутых выводах коллектор-эмиттер в функции тока (метод п. 2.1 ГОСТ 18604.22-78, частота следования импульсов 50 Гц, скважность 100). При обработке результатов определяются параметры диодов 1Б и ЫЫ, моделирующих эмиттерный и коллекторный ^-л-переходы модели. Измеренная ВАХ эквивалентна ВАХ одного диода с током насыщения 1Б1:

и параметром ЫЫ, равным таковому для вышеупомянутых диодов модели Гуммеля-Пуна. Измеряемая в этом цикле ВАХ инвариантна относительно всех других параметров модели.

В третьем цикле измеряется выходное напряжение насыщения БСИТ в функции токов эмиттера и коллектора при различных отношениях тока базы к соответствующему току эмиттера или коллектора (метод п. 2.1 ГОСТ 18604.22-78, частота следования импульсов 50 Гц, скважность 100). При обработке результатов определяются параметры ВВ, ЯЕ и ЯС при известных значениях ВГ, /К?", ВЯ, 1КЯ, ЫК, ЫЫ и 1Б. Напряжение насыщения инвариантно относительно параметра /Б.

Значения ВВ, ЯЕ и ЯС определяются итерационным методом. На первом этапе принимается ВВ = 0 и при минимальном измеренном токе коллектора и эмиттера находится оптимальное значение суммы ЯЕ+ЯС. На втором этапе по массиву измеренных значений напряжений насыщения ищется оптимальное с точки зрения погрешности значение ВВ. На третьем этапе сумма ЯЕ+ЯС разделяется на сопротивление эмиттера и коллектора. В данном случае разделение выполнено произвольно в пропорции 2:1. Значения параметров округлены.

В четвертом цикле измеряется ВАХ база-эмиттер при замкнутых выводах коллектор-база и ВАХ база-коллектор при замкнутых выводах эмиттер-база. Данное измерение является проверочным и служит для оценки погрешности моделирования входных ВАХ.

Конкретные числовые значения параметров определялись итерационным методом при известном общем виде формул, а также известном порядке значений параметров. Для БСИТ КТ698И получены следующие значения: ВГ = 1297,6; ВЯ = 42,72; /КГ = 0,35634 А; /КЯ = 1,38657 А; ЫК = 0,6; /Б = 151,1-10-9 А; ЫЫ = 1,89; ЯЕ = 0,020 Ом; ЯС = 0,010 Ом; ВВ = 0,3.

Текстовая SPICE-модель БСИТ КТ698И имеет вид: .SUBCKT KT698I C E B

+.PARAMS: IS=151.1N BF=1297.6 BR=42.72 RE=0.020 RC=0.010

+ IKF=0.35634 IKR=1.38657 NN=1.89 NK=0.6 BB=0.3

DC1 B 1 DC1

DE1 B 2 DE1

G1 3 2 VALUE =

+ 2*(I(DE1)*BF-I(DC1)*BR)/(1+(1+4*((I(DC1)*BR/IKR)

++(I(DE 1)*BF/IKF)+BB*((I(DE 1 )*BF/IKF)*(I(DC 1)*BR/IKR))))ANK)

RC C 1 RC

RE 2 E RE

.DEFINE ISE IS/BF

.DEFINE ISC IS/BR

MODEL DE1 D (IS=ISE N=NN)

MODEL DC1 D (IS=ISC N=NN)

.ENDS KT698I

Оценка точности модифицированной модели Гуммеля-Пуна. Были измерены ВАХ десяти экземпляров БСИТ КТ698И, по результатам измерений определены параметры моделей и выполнен расчет. Отдельные экспериментальные результаты приведены на рис.2-6. Сплошной линией обозначен расчет по модели Гуммеля-Пуна, пунктирной линией - расчет по модифицированной модели, точками обозначены значения

m

(U „

s fr

И й

s f

ю

1,000,950,900,850,800,750,700,65

.......

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Ток эмиттера, А

Рис.2. Напряжение база-эмиттер при замкнутых выводах коллектор-база

15 S s 1000

s&i

к с F 2

■&Ü Й

m w -2

Si =1 w

и W ч

g 5 и

® Й 100-s s

ч s

ö а

«

^ ö <u а В И

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Ток эмиттера, А

Рис.3. Статический коэффициент передачи тока БСИТ при нормальном включении

н и

(D

S

и t_ в С •eS -&0 rn pq

Si g «

s

a s a s и

<D £

40-

35-

30-

Ö

2 s

и о

s «

f У

& fr

3 в

^ S

<D S

а

25-

20-

—j—i—j—i—j—i—j—i—j—i—j—i—j—i—j—i—j—i—j—

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

§ И 275-1

я е 250-

В ,р е 225-

■а о т т 200-

а И е S S ? 175150-

S m 1 р 125-

е о тк е 100-

^ 75 -

р Я 50-

лко 25 4 0

Ток коллектора, А

Ток коллектора, А

Рис.4. Статический коэффициент передачи тока Рис.5. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер БСИТ при инверсном включении при отношении тока коллектора к току базы 20

SPICE-модель биполярного статического индукционного транзистора

измеренных величин. Все результаты отнесены к усредненным значениям по десяти измерениям. На рис.2-4 кривые, рассчитанные по модели Гуммеля-Пуна и по модифицированной модели, совпадают, поэтому приведен только результат расчета по модифицированной модели.

Эксперимент показал высокую точность расчета входных и передаточных характеристик БСИТ при использовании модели Гуммеля-Пуна. Количественно относительная погрешность моделирования входных ВАХ не превышает 5%. Погрешность определялась как разность измеренного и рассчитанного по модели напряжений при одинаковом токе. При токе 0,1 А эти напряжения составили 0,708 и 0,675 В (относительная погрешность 4,77%), при токе 2 А - 0,944 и 0,968 В (2,51%).

Погрешность моделирования статического коэффициента передачи тока БСИТ при нормальном и инверсном включении не превышает 10% в широком диапазоне токов (кроме значения при токе эмиттера 0,1 А, здесь измеренное значение составило 762, рассчитанное 944, а погрешность 13%).

Измеренная прибором Л2-42 при токе 1 А выходная проводимость БСИТ не превышает 0,5 мкСм.

Выходное напряжение в режиме насыщения, рассчитанное по модели Гуммеля-Пуна, во всех случаях на 15-30% ниже, чем измеренное на реальных приборах. Погрешность расчета этого напряжения по модифицированной модели не превышает 20%. В частности, при токе эмиттера 1 А и отношении тока эмиттера к току базы 5 измеренное напряжение насыщения эмиттер-коллектор равно 138 мВ, при расчете по модифицированной модели - 115 мВ (погрешность 17%), при расчете по модели Гуммеля-Пуна - 89 мВ (погрешность 35%).

В результате проведенного моделирования биполярного статического индукционного транзистора КТ698И с использованием модели Гуммеля-Пуна установлено, что применение данной модели обеспечивает высокую точность при расчете входных и передаточных характеристик БСИТ. Предложено уравнение тока коллектор-эмиттер модифицированной модели Гуммеля-Пуна для более точного расчета ВАХ БСИТ. Показано, что модифицированная модель характеризуется большей точностью при расчете выходного напряжения БСИТ в режиме насыщения при нормальном и инверсном включении по сравнению с исходной моделью.

Литература

1. Wilamowski B. M. High speed, high voltage and energy efficient static induction devices // 26-th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IEC0N'00), (3h tutorial). - Nagoya, Japan, October 22-28, 2000.

2. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: справочник / В.В.Бачурин, ВЯ.Ваксенбург, В.ПДьяконов и др. / Под ред. В.П. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1994. - 279 с.

3. Testing and modeling electrical characteristics of novel silicon carbide (SiC) static induction transistors (SITs) / A.S.Kashyap, S.D.Magan Lal, T.RMcNutt et al. // J. of the Arkansas Academy of Science. - 2003. -Vol. 57. - P. 209-215.

150-п

« S

<и а а о 125-

м о Ё 100-

я <i>

И (D S ч ч § т 75 -

и 50 -

й и а

<и 25 -

к 0 -

Я m 0

,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Ток эмиттера, А

Рис.6. Напряжение насыщения эмиттер-коллектор при отношении тока эмиттера к току базы 5

4. Ionescu A.M., Rusu A., Postolache C. Bipolar static induction transistor (BSIT) static model. // Electro-technical Conference, 1991. Proceedings, 6-th Mediterranean, 22-24 May 1991. - Vol.1. - P. 107-110.

5. Nishizawa J.-I., Ohmi T., Chen H.-L. Analysis of static characteristics of a bipolar mode SIT (BSIT) // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1982. - Vol. ED-29. - N 11, Aug. - P. 1233-1244.

6. Yang J., Li S., Wang T. An analytical model for the saturation characteristics of bipolar-mode static induction transistors // Solid-State Electronics. - 1999. - Vol. 43, issue 4. - P. 823-827.

7. Gummel H.K., Poon H.C. An integral charge control model of bipolar transistors // Bell Syst. Techn. J. -1970. - Vol. 49, № 5. - P. 827-852.

Статья поступила после доработки 18 июня 2009 г.

Букашев Федор Игоревич - соискатель, кафедра проектирования и технологии радиоаппаратуры НовГУ. Область научных интересов: аналоговая полупроводниковая схемотехника, использование систем автоматизированного схемотехнического проектирования. E-mail: [email protected]

Г Конференции Л

5-я Российско-Баварская конференция по биомедицинской инженерии (RBC-2009)

С 1 по 4 июля 2009 г. в Мюнхене - столице федеральной земли Бавария (Германия) состоялась 5-я Российско-Баварская конференция по биомедицинской инженерии (RBC-2009), в которой приняли участие более 120 человек. C российской стороны в конференции участвовали представители МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГУ им. Ломоносова, НИИ трансплантологии и искусственных органов. Делегацию от Московского государственного института электронной техники (технического университета) из 15 человек возглавляли проректор по информатизации и международной деятельности профессор С.В. Умняшкин и заведующий кафедрой биомедицинских систем профессор С.В. Селищев. Немецкая сторона была представлена профессорами и аспирантами Технического университета Мюнхена, Немецкого Кардиологического центра Мюнхена, Университета Фридриха-Александра (Эрланген-Нюрнберг) и др.

Ученые и аспиранты из России выступали перед своими зарубежными коллегами с докладами на английском языке, участвовали в оживленных дискуссиях.

Напомним, что год назад в МИЭТ проходила 4-я Российско-Баварская конференция по биомедицинской технике (RBC-2008). Следующую конференцию планируется провести в Москве осенью 2010 г.

УДК 537.2:621.38.002.2

Оценка надежности аналоговых интегральных схем с использованием измерений электрических параметров при внешних воздействиях

М.И.Горлов, Д.Ю. Смирнов Воронежский государственный технический университет

Рассмотрены различные методики оценки надежности аналоговых интегральных схем с использованием измерений электрических параметров при внешних воздействиях.

С бурным развитием микроэлектроники возник интерес к исследованию шума и малосигнальных параметров полупроводниковых изделий (ППИ) (диодов, транзисторов и интегральных схем (ИС)) и материалов. В большинстве работ по шумам в той или иной степени рассматриваются вопросы флуктуации в полупроводниках, изучаются как механизмы шумообразования [1], так и возможности практического применения параметров низкочастотного шума, в основном для контроля технологических процессов изготовления ППИ и неразрушающего контроля их качества [2].

Одним из направлений в разработке диагностических методов контроля качества и надежности ППИ являются методы, основанные на измерении параметров низкочастотного шума. Частично эти методы уже рассмотрены в работах [3, 4].

Для аппроксимации зависимости 1//-шума от режима работы прибора по току используется эмпирическое соотношение [5]

(1)

где ¿ш - средний квадрат шумового тока; А - коэффициент; а = 1-2, у = 1; I - сила тока; А/ - полоса частот; / - частота.

Из соотношения (1) следует, что с ростом величины протекающего через элемент тока возрастает скорость его деградации, следовательно и уровень 1//-шума. Как правило, способы отбраковки ППИ по шумам основаны на том, что исследуемые изделия сравниваются по уровню шума с контрольным бездефектным изделием и по разности значений шумов оценивается их надежность. Недостатком этих способов является применимость только к дискретным ППИ, невысокая достоверность для ИС. Известны способы разделения цифровых ИС по надежности с использованием НЧ-шума [6], недостатком которых является сложность их применения для аналоговых ИС. Для разработанных способов были использованы ИС широкого применения как в аналоговой, так и в цифровой схемотехнике.

Способ сравнительной оценки надежности партии ИС по стойкости к электростатическим разрядам (способ 1). Методом случайной выборки было отобрано 20 ИС типа А0711 (операционный усилитель широкого применения, выполненный по биполярной технологии), у которых измерялась величина тока потребления, максимальное значение 1потр по техническим условиям (ТУ) не более 3 мА в статическом режиме. Измерения проводились при номинальном напряжении питания ±15 В, схема включения

© М.И.Горлов, Д.Ю.Смирнов, 2009