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. |
