Расчет униполярного транзистора

Содержание

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_i² 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 – SiO₂ 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

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

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

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

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.