Материалы сайта
Это интересно
Расчет униполярного транзистора
Содержание | |Стр. | |1 Принцип действия полевого транзистора | | |2 Вольт-фарадная характеристика МОП-структуры | | |3 Расчет стоковых и стокозатворных характеристик | | |4 Определение напряжения насыщения и напряжения отсечки | | |5 Расчет крутизны стокозатворной характеристики и проводимости канала | | |6 Максимальная рабочая частота транзистора | | 1 Принцип действия транзистора В отсутствии смещений (UЗ =0, UС =0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен дырками из-за наличия ловушек на границе кремний – оксид кремния и наличия положительных ионов в пленке диэлектрика. Соответственно энергетические зоны искривлены вниз, и начальный поверхностный потенциал положительный. По мере роста положительного напряжения на затворе дырки отталкиваются от поверхности. При этом энергетические зоны сначала выпрямляются, а затем искривляются вниз, т.е. поверхностный потенциал делается отрицательным. Существует некоторое пороговое напряжение , по превышении которого энергетические зоны искривляются настолько сильно, что в близи поверхностной области образуется инверсный электрический сой, именно этот слой играет роль индуцированного канала. 1.1 Равновесное состояние [pic] Рисунок 1.1 – Равновесное состояние Т.к. UЗ =0, то контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником равна нулю, то энергетические зоны отображаются прямыми линиями. В таком положении уровень Ферми постоянен при UЗ =0, полупроводник находится в равновесном состоянии, т.е. pn = pi2 и ток между металлом и полупроводником отсутствует. 1.2 Режим обогащения (UЗ >0) Если UЗ >0, то возникает поле направленное от полупроводника к затвору. Это поле смещает в кремнии основные носители (электроны) по направлению к границе раздела кремний – оксид кремния. В результате на границе возникает обогащенный слой с избыточной концентрацией электронов. Нижняя граница зоны проводимости, собственный уровень и верхняя граница валентной зоны изгибаются вниз. [pic] Рисунок 1.2 – Режим обогащения 1.3 Режим обеднения (UЗ <0) Если UЗ <0, то возникает электрическое поле направленное от затвора к подложке. Это поле выталкивает электроны с границы раздела Si – SiO2 в глубь кристалла оксида кремния. В непосредственной близости возникает область обедненная электронами. [pic] Рисунок 1.3 – Режим обеднения 1.4 Режим инверсии (UЗ <<0) При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения UЗ , увеличивается поверхностный электрический потенциал US . Данное явление является следствием того что энергетические уровни сильно изгибаются вверх. Характерной особенностью режима инверсии является, то что уровень Ферми и собственный уровень пересикаются. [pic] Рисунок 1.4 – Режим инверсии 1- инверсия; 2- нейтральная. 1.5 Режим сильной инверсии Концентрация дырок в инверсной области больше либо равна концентрации электронов. 1.6 Режим плоских зон [pic] Рисунок 1.5 – Режим плоских зон 1 - обогащенный слой неосновными носителями при отсутствии смещающих напряжений изгибает уровни вниз. 2 Вольт-фарадная характеристика МОП-структуры Удельная емкость МОП-конденсатора описывается выражением: [pic] (2.1) где: [pic] (2.2) [pic] (2.3) - удельная емкость, обусловленная существованием области пространственного заряда. [pic] (2.4) - емкость обусловленная оксидным слоем. Эквивалентную схему МОП-структуры можно представить в виде двух последовательно соединенных конденсатора: [pic] Рисунок 2.1 – Эквивалентная схема МОП-структуры Таблица 2.1 – Зависимость емкости от напряжения на затворе |UЗ [B] |С [Ф] | |0.01 |3.182e-5 | |0.05 |3.182e-5 | |0.1 |3.182e-5 | |0.2 |3.182e-5 | |0.22 |3.182e-5 | |0.26 |3.182e-5 | |0.3 |3.182e-5 | |0.32 |3.182e-5 | |0.36 |3.182e-5 | |0.4 |3.182e-5 | |0.42 |3.182e-5 | |0.46 |3.182e-5 | [pic] Рисунок 2.2 – График зависимости емкости от приложенного напряжения на затворе [pic] Рисунок 2.3 – Отношение С/С0 как функция напряжения, приложенного к затвору 3 Вольт-амперные характеристики 3.1 Стоковые характеристики Формула описывающая вольт-амперную характеристику имеет вид: [pic] (3.1) где [pic] (3.2) - пороговое напряжение [pic] (3.3) [pic] (3.4) - напряжение Ферми [pic] [pic] (3.5) - плотность заряда в обедненной области Таблица 3.1 – Таблица значений токов и напряжений стоковой характеристики |UC [B] |UЗ = 9 |UЗ = 10 |UЗ = 11 |UЗ = 12 |UЗ = 13 | | | | |IC [A] | | | |0 |0.000 |0.000 |0.000 |0.000 |0.000 | |1 |2.322e-3 |2.631e-3 |2.940e-3 |3.249e-3 |3.559e-3 | |2 |4.334e-3 |4.952e-3 |5.571e-3 |6.189e-3 |6.808e-3 | |3 |6.037e-3 |6.965e-3 |7.892e-3 |8.820e-3 |9.748e-3 | |4 |7.431e-3 |8.668e-3 |9.905e-3 |0.011 |0.012 | |5 |8.515e-3 |0.010 |0.012 |0.013 |0.015 | |6 |9.290e-3 |0.011 |0.013 |0.015 |0.017 | |7 |9.756e-3 |0.012 |0.014 |0.016 |0.018 | |8 |9.913e-3 |0.012 |0.015 |0.017 |0.020 | |9 |9.761e-3 |0.013 |0.015 |0.018 |0.021 | |10 |9.299e-3 |0.012 |0.015 |0.019 |0.022 | |11 |8.528e-3 |0.012 |0.015 |0.019 |0.022 | |12 |7.448e-3 |0.011 |0.015 |0.019 |0.022 | |13 |6.058e-3 |0.010 |0.014 |0.018 |0.022 | |14 |4.359e-3 |8.689e-3 |0.013 |0.017 |0.022 | |15 |2.351e-3 |6.990e-3 |0.012 |0.016 |0.021 | |16 |3.399e-5 |4.982e-3 |9.930e-3 |0.015 |0.020 | [pic] Рисунок 3.1 – График зависимости тока стока от функции напряжения стока при постоянных значениях напряжения на затворе 3.2 Стоко-затворная характеристика [pic] при UC =4B Таблица 3.2 – Таблица значений токов и напряжений стокозатворной характеристики |UЗ [B] |IC [A] | |0 |3.703e-3 | |0.1 |3.826e-3 | |0.2 |3.950e-3 | |0.3 |4.074e-3 | |0.4 |4.197e-3 | |0.5 |4.321e-3 | |0.6 |4.445e-3 | |0.7 |4.569e-3 | |0.8 |4.692e-3 | |0.9 |4.816e-3 | [pic] Рисунок 3.2 – График зависимости тока стока от напряжении на затворе 4 Напряжения насыщения и отсечки Напряжение отсечки описывается выражением: [pic] (4.1) Напряжение насыщение описывается формулой: [pic] (4.2) где: [pic] (4.3) - толщина обедненного слоя. Таблица 4.1 – Таблица данных напряжения стока и напряжения насыщения |UЗ |UНАС |UОТ | |-0.5 |0.92 |0.2387 | |-0.4 |1.59 |0.410 | |-0.3 |2.45 |0.62 | |-0.2 |3.50 |0.8911 | |-0.1 |4.730 |1.2 | |0 |6.14 |1.55 | |0.1 |7.7411 |1.9583 | |0.2 |9.5 |2.4063 | |0.3 |11.4890 |2.9 | |0.4 |13.63 |3.4 | |0.5 |15.973 |4.0 | [pic] Рисунок 4.1 – График зависимости напряжения насыщения от напряжения на затворе [pic] Рисунок 4.2 – График зависимости напряжения отсечки от напряжения на затворе 5 Крутизна стокозатворной характеристики и проводимость канала 5.1 Крутизна стокозатворной характеристики описывается выражением: [pic] (5.1) где: [pic] (5.2) [pic] 5.2 Проводимость канала: [pic] (5.3) [pic] 6 Максимальная рабочая частота транзистора Максимальная рабочая частота при определенном напряжении стока описывается формулой: [pic] (6.1) Таблица 6.1 – Таблица значений частоты при фиксированном напряжении стока |Uc |fmax | |0 |0.000 | |1 |8.041e6 | |2 |1.608e7 | |3 |2.412e7 | |4 |3.217e7 | |5 |4.021e7 | |6 |4.825e7 | |7 |5.629e7 | |8 |6.433e7 | |9 |7.237e7 | |10 |8.041e7 | |11 |8.846e7 | |12 |9.650e7 | |13 |1.045e8 | [pic] Рисунок 6.1 – График зависимости частоты транзистора от напряжения на стоке. Список использованной литературы 1 Л. Росадо «ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА» М.-«Высшая школа» 1991 – 351 с.: ил. 2 И.П. Степаненко «ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТРАНЗИСТОРОВ И ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ», изд. 3- е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1973. 608 с. с ил.