Каталог :: Радиоэлектроника

Курсовая: 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 – SiO 2 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/С0 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

UC [B]

UЗ = 9

UЗ = 10

UЗ = 11

UЗ = 12

UЗ = 13

IC [A]

0

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

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

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

0

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.