Operación de BJT con valores bajos de Vbe (región de "corte")

Muchas fuentes afirman que cuando el voltaje base-emisor se vuelve más pequeño que aproximadamente 0.6V-0.7V, el transistor de unión bipolar entra en la región de corte y hay cero corriente de base y colector.

Por supuesto, esto no es completamente cierto, ya que habrá algo de corriente (exponencialmente decreciente) para valores más bajos de Vbe, y esto presenta las características de los diodos operados a bajo voltaje (con una característica IV exponencial).

¿El modelo de Ebers-Moll predice con precisión el comportamiento del BJT en los casos en que Vbe es tan pequeño que la corriente de base llega a ser del orden de pA (10e-12 A)? En general, hay un parámetro de ganancia de corriente llamado beta ~ 5 - 100 que relaciona la corriente del colector con la corriente base, pero ¿disminuye esta beta si la corriente base se vuelve extremadamente pequeña?

Pregunto esto porque tengo una aplicación particular en la que necesito corrientes extremadamente bajas y no estoy seguro de si el simulador (Cadence Spectre con modelos npn proporcionados por la fundición) es confiable en esta región inusual de operación. Sé que usa el modelo de carga integral de Gummel-Poon, pero espero que esté cerca del modelo de Ebers-Moll a bajas corrientes.

Tob, ¿estás trabajando con una fundición? Porque no suelen dar sus modelos fácilmente, a menos que estés trabajando con ellos. Si es así, sus modelos tienden a funcionar bien incluso con las corrientes bajas que mencionas. Pero pregunta, claro. (Probablemente modelos VBIC o Philips MEXTRAM. O, en algunos casos especializados, HICUM). Además, con respecto a Ebers-Moll, puede revisar lo que escribí aquí sobre las corrientes bajas y los problemas para modelarlas.
Finalmente, tenga en cuenta los problemas de ruido de disparo. Cada vez que una corriente cruza una unión PN, se "aleatoriza" (poisson) y genera ruido. Por ejemplo, suponga que tiene una corriente base de 10 Pensilvania . Entonces puedes esperar 2 fa Hz solo en ese aspecto. En un ancho de banda de, digamos, 1 kHz esto implicaría acercarse mucho al 1% de su corriente base como ruido debido solo a este efecto. Si estas corrientes bajas son el resultado de un detector de diodo, también puede esperar otro efecto cuántico de la luz misma: una especie de "flocado", ya que los bosones pueden estar en el mismo estado cuántico.
Trabajo (indirectamente, a través de la universidad) con una fundición (firmé un NDA), y estoy usando los modelos provistos con el kit de diseño de la fundición, pero creo al leer la documentación del simulador de Spectre que el modelo bjt utilizado es "integral". modelo de carga Gummel-Poon". La fundición solo proporciona parámetros específicos a una instancia de bjt en su archivo de modelo .scs personalizado.
Probablemente deberías preguntarle a tu fundición, entonces. Ellos saben lo que te dieron. El artículo fundamental de Gummel & Poon de 1970 se titula "Un modelo de control de carga integral de transistores bipolares". Spice usa un modelo GP mejorado, por lo que ni siquiera estoy seguro de si su simulador está actualizado en ese sentido, por lo que escribe. Tenga en cuenta también que, por ejemplo, LTSpice también incluye modelos VBIC y MEXTRAM. Sé que el modelo Spice GP incluye efectos de baja corriente. Simplemente no sé qué tan buenos son esos modelos, ya que no he intentado validar las corrientes de colector modeladas bajo un nanoamperio en un circuito práctico.

Respuestas (1)

Entiendo tu problema. Personalmente, no esperaría que ninguno de los modelos (Ebers-Moll o Gummel-Poon) produzca resultados precisos con corrientes tan bajas. Los modelos no están diseñados ni verificados para esa región de operación.

También creo que los problemas relacionados con las fugas y la temperatura (y todos sabemos que las fugas y la temperatura tienen una fuerte relación) influirán dramáticamente en las corrientes. A menudo, estos efectos están mal modelados.

E incluso si los modelos pudieran admitir un modelado preciso a corrientes tan bajas, la pregunta sigue siendo si los parámetros del modelo son confiables de alguna manera. Si el fabricante del transistor (fundición) no midió y extrajo esos parámetros a corrientes tan bajas, entonces nadie puede decir nada sobre la confiabilidad de los modelos.

Ya veo, en ese caso, la única forma en que lo sabré con certeza es si implemento el circuito y lo verifico experimentalmente. Aunque preferiría no tener que hacer eso si se puede evitar. En mi aplicación, realmente no necesito tener valores precisos para la corriente y para beta, pero sí necesito estar seguro de que la corriente base no supera unos pocos pA, y que la corriente del colector aún tendrá cierta proporcionalidad. a esta corriente base.
Dado que está haciendo cosas en el rango de picoamperios, las corrientes de fuga son importantes y esas corrientes pueden abrirse camino incluso a través de la suciedad de su PCB. Puede encontrar interesante este video de EEVBlog: youtube.com/watch?v=QFOH8n43kY4&t= ya que muestra lo que un diseño necesita para funcionar correctamente con valores de resistencia muy altos y corrientes extremadamente pequeñas.
¿Estas corrientes de fuga también surgen en circuitos integrados en lugar de PCB? Supongo que tienes un punto, que si hay otra ruta de fuga, como una pequeña conductancia a través de las capas de aislamiento entre metales, entonces también debería preocuparme por esto ...
Haga estas corrientes de fuga también... Le daría la vuelta y diría: tiene suerte si no están allí. Es posible que sepa que las resistencias comunes que puede comprar llegan hasta 22 Mohm (eso es lo más alto que tengo aquí), las especiales pueden llegar hasta 100 Mohm (solo supongo). Digamos que tengo 1 voltio y 100 giga ohmios (1000 veces más que 100 Mohm) que 1 V a través ya da como resultado 10 pA. Entonces, el truco es mantenerse por encima de 100 Gohm, ¡eso es un desafío!
De hecho, necesitarías resistencias muy grandes para eso. Entonces, supongo que está sugiriendo que los aislantes típicos que se usan entre las capas de metal no serán lo suficientemente buenos para evitar este tipo de fugas.
Tal vez debería mencionar que mi aplicación está relacionada con el almacenamiento de carga en dispositivos de puerta flotante (por lo que es una especie de dispositivo de memoria y necesito tiempos de retención de unas pocas horas). Es por eso que necesito filtrar la menor cantidad de carga posible, mientras puedo medirla. En principio, podría implementar algún tipo de operación de actualización para retrasar la carga a un valor fijo, pero tengo limitaciones sobre la frecuencia con la que debe ser esta frecuencia de actualización, por lo tanto, estoy buscando formas de minimizar la corriente de fuga tanto como sea posible.
Ahora que lo pienso, tal vez debería hacer una pregunta por separado para eso también, tal vez haya mejores enfoques que los que he estado intentando hasta ahora. El enfoque obvio fue usar MOSFET en lugar de BJT, pero debido al grosor de puerta muy pequeño que viene con el proceso, la corriente de fuga de puerta es demasiado grande.
Si va a utilizar componentes listos para usar para este experimento, puede olvidarse de eso. TODOS los dispositivos basados ​​en MOSFET necesitan y por lo tanto tienen diodos de protección ESD. Estos diodos tienen fugas , por lo que la carga de la puerta se filtrará o se filtrará más carga en la puerta. La única forma de almacenar una carga en una puerta (flotante real) es cómo lo hace la memoria flash. Utiliza una puerta secundaria completamente aislada (sin conexión a nada) y estos tienen un alto voltaje que provoca la ruptura del SiO2 para obtener una carga en esa puerta secundaria.
Afortunadamente, no estoy limitado por los componentes listos para usar. Estoy implementando esto como parte de un circuito integrado personalizado, por lo que tengo control sobre cosas como la geometría del MOSFET en sí, y puedo elegir dónde colocar o no los componentes ESD.
Entonces, supongo que está sugiriendo que los aislantes típicos que se usan entre las capas de metal no serán lo suficientemente buenos para evitar este tipo de fugas. Las capas de metal en el chip están separadas por SiO2, creo que eso proporcionaría suficiente aislamiento. El problema es que los dispositivos en el silicio, los diodos y los MOSFET tienen corrientes de fuga y, aunque son pequeñas, serán mucho más grandes que las corrientes que le interesan.
¡Ah, sí! De hecho, estoy particularmente preocupado por las corrientes de fuga provenientes de MOSFET y diodos. Por cierto, hice una pregunta separada más específica de lo que realmente necesito, si está interesado.
De acuerdo, tenga en cuenta que se puede no usar la protección ESD en las puertas, pero seguramente dará problemas. La fundición podría simplemente no permitirlo. Además, durante la fabricación de circuitos integrados, pueden acumularse cargos (grabado con plasma) en las conexiones, como cuando se graban las vías. Así que seguro, puedes diseñar lo que quieras, pero en mi opinión tendrás problemas. Solo si estuviera utilizando un proceso muy antiguo con óxido de puerta muy grueso, podría salirse con la suya.
Veo. Entonces, ¿mi mejor apuesta es realmente encontrar un proceso más antiguo que use dieléctricos más gruesos? Actualmente estoy un poco atascado con el proceso que tengo, pero podría cambiarme a otro si estoy seguro de que hacer esto en el proceso actual es realmente inviable.
Bob Pease de National Semiconductor escribió felizmente sobre los amplificadores operacionales de National con una fuga de entrada de 10^-16 amperios. Comprueba eso. Esto fue hace unos 30 años, por lo tanto, un gran proceso de geometría.
Operación de BJT con valores bajos de Vbe (región de "corte")
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