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 (U_>З> =0, U_>С> =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. U_>З> =0, то контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником равна нулю, то энергетические зоны отображаются прямыми линиями. В таком положении уровень Ферми постоянен при U_>З>=0, полупроводник находится в равновесном состоянии, т.е. pn = p_>i>² и ток между металлом и полупроводником отсутствует.

1.2 Режим обогащения (U_>З>>0)

Если U_>З>>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 (U_>З><0)

Если U_>З><0, то возникает электрическое поле направленное от затвора к подложке. Это поле выталкивает электроны с границы раздела Si – SiO_>2> в глубь кристалла оксида кремния. В непосредственной близости возникает область обедненная электронами.

Рисунок 1.3 – Режим обеднения

1.4 Режим инверсии (U_>З> <<0)

При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения U_>З> , увеличивается поверхностный электрический потенциал U_>S> . 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

инверсия;

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

U_>З> [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

Рисунок 2.2 – График зависимости емкости от приложенного напряжения на затворе

Рисунок 2.3 – Отношение С/С_>0> как 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

U_>C> [B]

U_>З> = 9

U_>З> = 10

U_>З> = 11

U_>З> = 12

U_>З> = 13

I_>C> [A]

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

0.013

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

0.014

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

0.018

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

0.021

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 U_>C> =4B

Таблица 3.2 – Таблица значений токов и напряжений стокозатворной характеристики

U_>З> [B]

I_>C>[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

U_>З>

U_>НАС>

U_>ОТ>

-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

f_>max>

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.