Реферат: 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
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.
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.
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.
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
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:
(2.1)
где:
(2.2)
(2.3)
— удельная емкость, обусловленная существованием области пространственного заряда.
(2.4)
— емкость обусловленная оксидным слоем.
Эквивалентную схему МОП-структуры можно представить в виде двух последовательно соединенных конденсатора:
Рисунок 2.1 – Эквивалентная схема МОП-структуры
Таблица 2.1 – Зависимость емкости от напряжения на затворе
UЗ [B] | С [Ф] |
0.01 0.05 0.1 0.2 0.22 0.26 0.3 0.32 0.36 0.4 0.42 0.46 | 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 3.182e-5 |
Рисунок 2.2 – График зависимости емкости от приложенного напряжения на затворе
Рисунок 2.3 – Отношение С/С0как функция напряжения, приложенного к затвору
3 Вольт-амперные характеристики
3.1 Стоковые характеристики
Формула описывающая вольт-амперную характеристику имеет вид:
(3.1)
где
(3.2)
— пороговое напряжение
(3.3)
(3.4)
— напряжение Ферми
(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] | |||||
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 0.000 2.322e-3 4.334e-3 6.037e-3 7.431e-3 8.515e-3 9.290e-3 9.756e-3 9.913e-3 9.761e-3 9.299e-3 8.528e-3 7.448e-3 6.058e-3 4.359e-3 2.351e-3 3.399e-5 | 0.000 2.631e-3 4.952e-3 6.965e-3 8.668e-3 0.010 0.011 0.012 0.012 0.013 0.012 0.012 0.011 0.010 8.689e-3 6.990e-3 4.982e-3 | 0.000 2.940e-3 5.571e-3 7.892e-3 9.905e-3 0.012 0.013 0.014 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.014 0.013 0.012 9.930e-3 | 0.000 3.249e-3 6.189e-3 8.820e-3 0.011 0.013 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.019 0.019 0.018 0.017 0.016 0.015 | 0.000 3.559e-3 6.808e-3 9.748e-3 0.012 0.015 0.017 0.018 0.020 0.021 0.022 0.022 0.022 0.022 0.022 0.021 0.020 |
Рисунок 3.1 – График зависимости тока стока от функции напряжения стока при постоянных значениях напряжения на затворе
3.2 Стоко-затворная характеристика
при UC =4B
Таблица 3.2 – Таблица значений токов и напряжений стокозатворной характеристики
UЗ [B] | IC [A] |
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 | 3.703e-3 3.826e-3 3.950e-3 4.074e-3 4.197e-3 4.321e-3 4.445e-3 4.569e-3 4.692e-3 4.816e-3 |
Рисунок 3.2 – График зависимости тока стока от напряжении на затворе
4 Напряжения насыщения и отсечки
Напряжение отсечки описывается выражением:
(4.1)
Напряжение насыщение описывается формулой:
(4.2)
где:
(4.3)
— толщина обедненного слоя.
Таблица 4.1 – Таблица данных напряжения стока и напряжения насыщения
UЗ | UНАС | UОТ |
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 | 0.92 1.59 2.45 3.50 4.730 6.14 7.7411 9.5 11.4890 13.63 15.973 | 0.2387 0.410 0.62 0.8911 1.2 1.55 1.9583 2.4063 2.9 3.4 4.0 |
Рисунок 4.1 – График зависимости напряжения насыщения от напряжения на затворе
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:
(5.1)
где:
(5.2)
5.2 Проводимость канала:
(5.3)
6 Максимальная рабочая частота транзистора
Максимальная рабочая частота при определенном напряжении стока описывается формулой:
(6.1)
Таблица 6.1 – Таблица значений частоты при фиксированном напряжении стока
Uc | fmax |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | 0.000 8.041e6 1.608e7 2.412e7 3.217e7 4.021e7 4.825e7 5.629e7 6.433e7 7.237e7 8.041e7 8.846e7 9.650e7 1.045e8 |
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.