Расчет униполярного транзистора

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.