Розрахунок униполярного транзистора

зміст

1 Принцип дії транзистора

У відсутності зсувів (U _З = 0, U _С = 0) приповерхневих шар напівпровідника зазвичай збагачений дірками через наявність пасток на кордоні кремній - оксид кремнію і наявності позитивних іонів в плівці діелектрика. Відповідно енергетичні зони викривлені вниз, і початковий поверхневий потенціал позитивний. У міру зростання позитивного напруги на затворі дірки відштовхуються від поверхні. При цьому енергетичні зони спочатку випрямляються, а потім викривляються вниз, тобто поверхневий потенціал робиться негативним.

Існує деяке порогове напруга, по перевищенні якого енергетичні зони викривляються настільки сильно, що в безпосередній близькості поверхневої області утворюється інверсний електричний сой, саме цей шар відіграє роль індукованого каналу.

1.1 Рівноважний стан

Малюнок 1.1 - Рівноважний стан

Оскільки U _З = 0, то контактна різниця потенціалів між металом і напівпровідником дорівнює нулю, то енергетичні зони відображаються прямими лініями. У такому положенні рівень Фермі постійний при U _З = 0, напівпровідник знаходиться в рівноважному стані, тобто pn = p _i ² і ток між металом і напівпровідником відсутня.

1.2 Режим збагачення (U _З> 0)

Якщо U _З> 0, то виникає поле спрямоване від напівпровідника до затвору. Це поле зміщує в кремнії основні носії (електрони) у напрямку до кордону розділу кремній - оксид кремнію. В результаті на кордоні виникає збагачений шар з надлишковою концентрацією електронів. Нижня межа зони провідності, власний рівень і верхня межа валентної зони згинаються вниз.

Малюнок 1.2 - Режим збагачення

1.3 Режим збіднення (U _З <0)

Якщо U _З <0, то виникає електричне поле спрямоване від затвора до підкладки. Це поле виштовхує електрони з кордону розділу Si - SiO ₂ в глиб кристала оксиду кремнію. У безпосередній близькості виникає область збіднена електронами.

Малюнок 1.3 - Режим збіднення

1.4 Режим інверсії (U _З << 0)

При подальшому збільшенні негативного напруги U _З, збільшується поверхневий електричний потенціал U _S. Дане явище є наслідком того що енергетичні рівні сильно згинаються вгору. Характерною особливістю режиму інверсії є, то що рівень Фермі і власний рівень пересікаются.

Малюнок 1.4 - Режим інверсії

1 інверсія;

2 нейтральна.

1.5 Режим сильної інверсії

Концентрація дірок в инверсной області більше або дорівнює концентрації електронів.

1.6 Режим плоских зон

Малюнок 1.5 - Режим плоских зон

1 - збагачений шар неосновними носіями при відсутності смещающих напруг згинає рівні вниз.

2 Вольт-фарадні характеристика МОП-структури

Питома ємність МОП-конденсатора описується виразом:

(2.1)

де:

(2.2)

(2.3)

- питома ємність, обумовлена ​​існуванням області просторового заряду.

(2.4)

- ємність обумовлена ​​оксидним шаром.

Еквівалентну схему МОП-структури можна представити у вигляді двох послідовно з'єднаних конденсатора:

Малюнок 2.1 - Еквівалентна схема МОП-структури

Таблиця 2.1 - Залежність ємності від напруги на затворі

Малюнок 2.2 - Графік залежності ємності від прикладеної напруги на затворі

Малюнок 2.3 - Відношення С / С ₀ як функція напруги, прикладеного до затвора

3 Вольт-амперні характеристики

3.1 Стічні характеристики

Формула описує вольт-амперну характеристику має вигляд:

(3.1)

де

(3.2)

- порогове напруга

(3.3)

(3.4)

- напруга Фермі

(3.5)

- щільність заряду в збідненої області

Таблиця 3.1 - Таблиця значень струмів і напруг стокової характеристики

Малюнок 3.1 - Графік залежності струму стоку від функції напруги стоку при постійних значеннях напруги на затворі

3.2 Стоки-затворна характеристика

при U _C = 4B

Таблиця 3.2 - Таблиця значень струмів і напруг стокозатворной характеристики

Рисунок 3.2 - Графік залежності струму стоку від напруги на затворі

4 Напруження насичення і відсічення

Напруга відсічення описується виразом:

(4.1)

Напруга насичення описується формулою:

(4.2)

де:

(4.3)

- товщина збідненого шару.

Таблиця 4.1 - Таблиця даних напруги стоку і напруги насичення

Малюнок 4.1 - Графік залежності напруги насичення від напруги на затворі

Малюнок 4.2 - Графік залежності напруги відсічення від напруги на затворі
5 Крутизна стокозатворной характеристики і провідність каналу

5.1 Крутизна стокозатворной характеристики описується виразом:

(5.1)

де:

(5.2)

5.2 Провідність каналу:

(5.3)

6 Максимальна робоча частота транзистора

Максимальна робоча частота при певній напрузі стоку описується формулою:

(6.1)

Таблиця 6.1 - Таблиця значень частоти при фіксованій напрузі стоку

Малюнок 6.1 - Графік залежності частоти транзистора від напруги на стоці.

Список використаної літератури

1 Л. Росадо «Фізична Електроніка і МІКРОЕЛЕКТРОНІКА» М .- «Вища школа» 1991 - 351 с .: іл.

2 І.П. Степаненко «ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТРАНЗИСТОРОВ І ТРАНЗИСТОРНИХ СХЕМ», изд. 3-е, перераб. і доп. М., «Енергія», 1973. 608 с. з мул.