Esercitazione di Elettronica di Potenza
Prof. G.Busatto - A.A. 2000/2001
Studio unidimensionale del Power BJT
Introduzione
PC1D è un programma nato per la simulazione di celle solari e, successivamente, esteso ai dispositivi
a semiconduttore in generale.
Nella scheda allegata compare la schermata iniziale di PC1D. In essa è possibile specificare la
struttura del dispositivo.
Specificazione della struttura
1) Inserire un’altra regione dal menu Device/insert region... in modo da ottenere due regioni a
lifetime diverso.
2) Inserire i valori elencati nella scheda acclusa. Per fare ciò, fare doppio click su ciascun parametro
da inserire o modificare. Quando si arriva alla riga No front diffusion della regione 1 inserire i
seguenti parametri per la diffusione di base:
Diffusione di Base
p-type
Erfc
peak doping: 5e+17
peak position: 0 µm
junction depth: 15 µm
si badi di impostare attentamente i valori indicati e di lasciare calcolare i restanti valori al
programma. Dopo l’inserimento della diffusione di base (“First front diffusion”) fare doppio click
sulla scritta No second front diffusion per inserire i parametri della giunzione di emettitore:
Diffusione di Emettitore
n-type
Gaussian
peak doping: 1e+20
peak position: 0 µm
depth factor: 1.2 µm
3) Dal menu Device/Circuit/Contacts... attivare il contatto di collettore. Per i tre terminali si
specifichino i seguenti valori:
Emitter contact
Base contact
Collector contact
Internal
series
reistance
1e-3
10
1e-3
1
Distance
from front
surface
0 µm
5 µm
110 µm
Impostazione della simulazione
Creare una directory C:\ELEPOT (attenersi rigorosamente al nome indicato); salvare il file
preparato in precedenza in tale directory. Ancora in tale directory, redigere e salvare i file VB.VLT e
VCE.VLT, il cui contenuto è riportato in appendice, con un editor di testo (NOTEPAD). Si badi a
non lasciare nessuna riga vuota né prima né dopo tali valori. Il formato di tali file è il seguente:
Tempo[s]
...
...
Tensione[V]
...
...
Resistenza serie[Ω]
...
...
Aprire il menu Excitation/Base circuit e specificare l’opzione External. Cliccare su Open e
specificare il file VB.VLT. Con ciò si chiede al programma di leggere le coppie tempo-tensione dal
suddetto file durante la simulazione. Analoga cosa si faccia per il menu Excitation/Collector circuit
e per il file VCE.VLT.
NOTA: PC1D immagazzina in memoria il contenuto dei file di pilotaggio. Per questa ragione, ogni
qualvolta si voglia cambiarne il valore, bisogna specificare nuovamente i nomi dei file.
Si noti che PC1D assume SEMPRE che l’emettitore sia a potenziale 0.
La ragione per cui si è impostata una resistenza di base così elevata nel file VB.VLT risiede nelle
limitazioni intrinseche di PC1D. Infatti, per ciascun contatto, è possibile imporre soltanto un
pilotaggio in tensione. Per ottenere un pilotaggio in corrente, dunque, occorre fare ricorso ad un
generatore di tensione di valore elevato con una alta resistenza serie.
Simulazione
La simulazione che ci si appresta ad eseguire riguarda le caratteristiche statiche di uscita. Poiché
PC1D non consente un’analisi statica con due parametri che variano, si è fatto ricorso ad un artificio:
su tempi lunghissimi (dell’ordine del secondo) si è sollecitato il collettore con un’onda triangolare
periodica; il terminale di base è stato invece pilotato con un segnale a gradini, di valore via via
crescente, che identifica di volta in volta la caratteristica a IB=costante. Al variare della tensione di
collettore, da 0 al suo massimo, si ottiene lo spazzolamento della caratteristica a quella data IB.
I parametri temporali della simulazione si impostano nel menu Excitation/Mode... . Si scelga una
Transient analysis, Number of time steps=120, time step size=.5s . Si lasci inalterato il time step
at t=0 al suo valore di 1e-9.
Per attivare la simulazione, si faccia click su Compute/Run e si attenda la fine del calcolo.
Plottaggio dei grafici
• Per visualizzare le caratteristiche di uscita, ricorrere al menu Graph/Temporal/Collector I-V. Si
osservi la regione di quasi-saturazione del transistore.
• Stampare il grafico dal menu File/Print... [suggerimento: scegliere l’orientamento della carta
“orizzontale”] ed identificare graficamente la Rν. Raffrontarla successivamente con il calcolo
teorico.
• E’ possibile visualizzare molte grandezze in funzione dell’ascissa all’interno del dispositivo. Si
provi a visualizzare il drogaggio e le concentrazioni di portatori, attraverso il menu
Graph/Spatial... .
• Si provi a visualizzare il campo elettrico. Per zoomare, si faccia click e si trascini sull’area di
interesse.
• PC1D visualizza le grandezze spaziali all’istante di tempo a cui si è fermata la simulazione. Un
modo semplice per condurre il simulatore al punto di funzionamento desiderato è quello di
visualizzare le caratteristiche di collettore e di procedere passo-passo con i tasti CTRL-F5. Un
2
modo alternativo è quello di modificare i file VB.VLT e VCE.VLT in modo da ottenere lo stesso
risultato.
Si porti il dispositivo in regione di quasi-saturazione e si osservi il campo elettrico. Da cosa si
evince che ci si trova in regione di quasi saturazione?
• Si grafichino i profili di drogaggio del dispositivo, e se ne produca una stampa. Si calcoli la
larghezza metallurgica della base.
• Ancora in condizioni di quasi saturazione, si grafichino le concentrazioni dei portatori in scala
lineare. Per fare ciò, fare ricorso al menu Graph/Defined... . Si noti il fenomeno del “base pushout”.
Appendice 1: File di stimulus dei terminali
Riportare nei corrispondenti file le seguenti liste di valori, senza spazi aggiuntivi, né prima né dopo
l’elenco.
VB.VLT
0
10
11
21
22
32
33
43
10e3
10e3
50e3
50e3
100e3
100e3
150e3
150e3
1e6
1e6
1e6
1e6
1e6
1e6
1e6
1e6
VCE.VLT
0
7
10
11
14
21
22
29
32
33
36
43
0.010
1.2
10
10
1.8
0.010
0.010
2.4
10
10
3.0
0.010
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
1e-6
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Scheda PC1D del BJT
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