Betrieb von BJT mit niedrigen Vbe-Werten ("Cutoff"-Bereich)

Viele Quellen behaupten, dass, wenn die Basis-Emitter-Spannung kleiner als ungefähr 0,6 V–0,7 V wird, der Bipolartransistor in den Sperrbereich geht und es keinen Basis- und Kollektorstrom gibt.

Dies ist natürlich nicht ganz richtig, da für niedrigere Werte von Vbe ein gewisser (exponentiell abnehmender) Strom vorhanden ist, der die Eigenschaften von Dioden aufweist, die bei niedriger Spannung betrieben werden (mit einer exponentiellen IV-Charakteristik).

Sagt das Ebers-Moll-Modell das Verhalten des BJT in Fällen genau voraus, in denen Vbe so klein ist, dass der Basisstrom in der Größenordnung von pA (10e-12 A) liegt? Im Allgemeinen gibt es einen Stromverstärkungsparameter namens Beta ~ 5 - 100, der den Kollektorstrom mit dem Basisstrom in Beziehung setzt, aber nimmt dieses Beta ab, wenn der Basisstrom extrem klein wird?

Ich frage dies, weil ich eine bestimmte Anwendung habe, bei der ich extrem niedrige Ströme benötige, und ich bin mir nicht sicher, ob der Simulator (Cadence Spectre mit von der Gießerei bereitgestellten npn-Modellen) in diesem ungewöhnlichen Betriebsbereich zuverlässig ist. Ich weiß, dass es das Gummel-Poon-Integralladungsmodell verwendet, aber dies sollte bei niedrigen Strömen nahe am Ebers-Moll-Modell liegen, erwarte ich.

Tob, arbeitest du mit einer Gießerei? Weil sie ihre Modelle normalerweise nicht so einfach herausgeben, es sei denn, Sie arbeiten mit ihnen zusammen. Wenn ja, funktionieren ihre Modelle in der Regel auch bei den von Ihnen erwähnten niedrigen Strömen gut. Aber fragen Sie natürlich. (Wahrscheinlich VBIC- oder Philips MEXTRAM-Modelle. Oder in einigen Spezialfällen HICUM.) Außerdem könnten Sie sich in Bezug auf Ebers-Moll ansehen, was ich hier über niedrige Ströme und die Probleme bei deren Modellierung geschrieben habe.
Achten Sie schließlich auf Probleme mit Schussgeräuschen. Jedes Mal, wenn ein Strom einen PN-Übergang kreuzt, wird er "randomisiert" (Poisson) und führt zu Rauschen. Angenommen, Sie haben einen Basisstrom von 10 pA . Dann können Sie erwarten 2 Fa Hertz allein deswegen. Bei einer Bandbreite von, sagen wir, 1 kHz Dies würde bedeuten, dass Sie nur aufgrund dieses Effekts sehr nahe an 1% Ihres Basisstroms als Rauschen herankommen. Wenn diese geringen Ströme aus einem Diodendetektor resultieren, ist vom Licht selbst noch ein weiterer Quanteneffekt zu erwarten: eine Art „Beflockung“, da sich Bosonen im gleichen Quantenzustand befinden können.
Ich arbeite (indirekt über die Universität) mit einer Gießerei zusammen (unterzeichnet eine NDA) und verwende die Modelle, die mit dem Design-Kit der Gießerei bereitgestellt werden, aber ich glaube nach dem Lesen der Spectre-Simulator-Dokumentation, dass das verwendete BJT-Modell "integral Gummel-Poon-Modell aufladen". Die Foundry stellt einer bjt-Instanz in ihrer benutzerdefinierten .scs-Modelldatei lediglich bestimmte Parameter zur Verfügung.
Dann sollten Sie wahrscheinlich Ihre Gießerei fragen. Sie wissen, was sie dir gegeben haben. Die wegweisende Arbeit von Gummel & Poon aus dem Jahr 1970 trägt den Titel "An integral charge control model of bipolar transistors". Spice verwendet ein verbessertes GP-Modell, daher bin ich mir nicht einmal sicher, ob Ihr Simulator in dieser Hinsicht auf dem neuesten Stand ist, was Sie schreiben. Beachten Sie auch, dass LTSpice beispielsweise auch ein VBIC- und MEXTRAM-Modell enthält. Ich weiß, dass das Spice GP-Modell Schwachstromeffekte enthält. Ich weiß nur nicht, wie gut diese Modelle sind, da ich nicht versucht habe, modellierte Kollektorströme unter einem Nanoampere in einer praktischen Schaltung zu validieren.

Antworten (1)

Ich verstehe Ihr Problem. Persönlich würde ich nicht erwarten, dass beide Modelle (Ebers-Moll oder Gummel-Poon) bei so niedrigen Strömen genaue Ergebnisse liefern. Die Modelle sind für diese Einsatzregion weder ausgelegt noch verifiziert.

Ich denke auch, dass Leckagen und temperaturbedingte Probleme (und wir alle wissen, dass Leckagen und Temperatur enge Beziehungen haben) die Strömungen dramatisch beeinflussen werden. Oft sind diese Effekte schlecht modelliert.

Und selbst wenn die Modelle eine genaue Modellierung bei so niedrigen Strömen unterstützen könnten, bleibt die Frage, ob die Modellparameter in irgendeiner Weise zuverlässig sind. Wenn der Transistorhersteller (Gießerei) diese Parameter bei so niedrigen Strömen nicht gemessen und extrahiert hat, kann niemand etwas über die Zuverlässigkeit der Modelle sagen.

Ich verstehe, in diesem Fall kann ich es nur sicher wissen, wenn ich die Schaltung implementiere und experimentell verifiziere. Obwohl ich es vorziehen würde, das nicht tun zu müssen, wenn es sich vermeiden lässt. In meiner Anwendung brauche ich eigentlich keine genauen Werte für Strom und Beta, aber ich muss sicher sein, dass der Basisstrom einige pA nicht überschreitet und der Kollektorstrom immer noch eine gewisse Proportionalität aufweist zu diesem Grundstrom.
Da Sie Dinge im Pico-Ampere-Bereich tun, sind Leckströme von Bedeutung, und diese Ströme können sogar durch etwas Schmutz auf Ihrer Leiterplatte fließen. Vielleicht finden Sie dieses EEVBlog-Video interessant: youtube.com/watch?v=QFOH8n43kY4&t= , da es zeigt, was ein Design braucht, um mit sehr hohen Widerstandswerten und extrem kleinen Strömen richtig zu funktionieren.
Treten diese Leckströme auch in integrierten Schaltungen statt in Leiterplatten auf? Ich denke, Sie haben einen Punkt, dass ich mir auch darüber Sorgen machen müsste, wenn es einen anderen Leckagepfad gibt, wie z. B. eine kleine Leitfähigkeit über den Isolationsschichten zwischen den Metallen ...
Machen diese Leckströme auch... Ich würde es umdrehen und sagen: Du hast Glück, wenn sie nicht da sind. Sie wissen vielleicht, dass gängige Widerstände, die Sie kaufen können, bis zu 22 MOhm erreichen (das ist der höchste Wert, den ich hier habe), spezielle können bis zu 100 MOhm erreichen (nur meine Vermutung). Nehmen wir an, ich habe 1 Volt und 100 Gigaohm (1000x mehr als 100 MOhm), dass 1 V darüber bereits 10 pA ergibt. Der Trick besteht also darin, über 100 GOhm zu bleiben, das ist eine Herausforderung!
Allerdings bräuchte man dafür sehr große Widerstände. Sie schlagen also vor, dass typische Isolatoren, die zwischen Metallschichten verwendet werden, nicht gut genug sind, um diese Art von Lecks zu vermeiden?
Ich sollte vielleicht erwähnen, dass meine Anwendung mit der Ladungsspeicherung in Floating-Gate-Geräten zusammenhängt (es ist also eine Art Speichergerät, und ich brauche Retentionszeiten von einigen Stunden). Aus diesem Grund muss ich so wenig Ladung wie möglich abgeben, während ich sie messen kann. Im Prinzip könnten Sie eine Art Auffrischungsvorgang implementieren, um die Ladung auf einen festen Wert zurückzusetzen, aber ich habe Einschränkungen, wie häufig diese Auffrischungsrate sein sollte, daher suche ich nach Möglichkeiten, den Leckstrom so weit wie möglich zu minimieren.
Wenn ich darüber nachdenke, sollte ich vielleicht auch eine separate Frage dazu stellen, vielleicht gibt es bessere Ansätze als das, was ich bisher versucht habe. Der offensichtliche Ansatz war die Verwendung von MOSFET anstelle von BJT, aber aufgrund der sehr geringen Gate-Dicke, die mit dem Prozess einhergeht, ist der Gate-Leckstrom zu groß.
Wenn Sie für dieses Experiment handelsübliche Komponenten verwenden, können Sie dies vergessen. ALLE MOSFET-basierten Geräte benötigen und haben daher ESD-Schutzdioden. Diese Dioden lecken , so dass Ihre Gate-Ladung entweicht oder mehr Ladung auf das Gate leckt. Die einzige Möglichkeit, eine Ladung auf einem (echten Floating-)Gate zu speichern, ist die Art und Weise, wie Flash-Speicher dies tun. Es verwendet ein sekundäres, vollständig isoliertes Gate (keine Verbindung zu irgendetwas) und diese eine hohe Spannung, die einen Durchbruch des SiO2 verursacht, um eine Ladung an diesem sekundären Gate zu erhalten.
Glücklicherweise bin ich nicht auf Standardkomponenten beschränkt. Ich implementiere dies als Teil einer benutzerdefinierten integrierten Schaltung, damit ich die Kontrolle über Dinge wie die Geometrie des MOSFET selbst habe und wählen kann, wo ESD-Komponenten platziert werden oder wo nicht.
Sie schlagen also vor, dass typische Isolatoren, die zwischen Metallschichten verwendet werden, nicht gut genug sind, um diese Art von Lecks zu vermeiden? On-Chip-Metallschichten sind durch SiO2 getrennt, ich denke, das würde eine ausreichende Isolierung bieten. Das Problem ist, dass die Geräte im Silizium, Dioden und MOSFETs alle Leckströme haben , und obwohl sie klein sind, sind sie viel größer als die Ströme, an denen Sie interessiert sind.
Ah ja! Ich bin in der Tat besonders besorgt über die Leckströme von MOSFET und Dioden. Übrigens habe ich eine separate Frage gestellt, die genauer darauf abzielt, was ich wirklich brauche, falls Sie interessiert sind.
OK, beachten Sie, dass der ESD-Schutz an Toren nicht verwendet werden kann, aber zwangsläufig zu Problemen führen wird. Die Gießerei könnte es einfach nicht zulassen. Auch während der IC-Fertigung können sich Ladungen auf Verbindungen aufbauen (Plasmaätzen), wie beim Ätzen von Durchkontaktierungen. Sie können also sicher entwerfen, was Sie wollen, aber meiner Meinung nach werden Sie Probleme haben. Nur wenn Sie einen sehr alten Prozess mit sehr dickem Gateoxid verwenden würden, könnten Sie damit durchkommen.
Ich verstehe. Also ist es am besten, wenn ich einfach einen älteren Prozess finde, der dickere Dielektrika verwendet? Derzeit stecke ich irgendwie in dem Prozess fest, den ich habe, aber es könnte mir möglich sein, zu einem anderen zu wechseln, wenn ich sicher bin, dass dies im aktuellen Prozess wirklich nicht machbar ist.
Bob Pease von National Semiconductor schrieb fröhlich über die Opamps von National mit Eingangsverlusten von 10^-16 Ampere. Überprüfe das. Das war vor etwa 30 Jahren, also großer Geometrieprozess.
Betrieb von BJT mit niedrigen Vbe-Werten ("Cutoff"-Bereich)
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