Радиоэлектроника

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.


смотреть на рефераты похожие на "Расчет униполярного транзистора"