Національнийуніверситет
“Львівськаполітехніка”
Курсова робота
З курсу: “Фізикапольових напівпровідниковихприладів і компонентів інтегральних схем на основі МОН-структур”
натему: “Розрахунок електричних параметрів іхарактеристикпольовоготранзистора з керуючим р-n-переходом”
Виконав:
Перегинець І.І.
Прийняв: проф.Дружинін А.О.
Львів 2002
Завдання:
1. Принципова відмінність польових транзисторів від біполярних.
2.Намалювати сім’ю ВАХ і характеристик передачі.
3.Які фізичні фактори відповідають за нелінійність ВАХ.
4.Розрахувати опір ділянки кола стік-витік транзистора у відкритому стані приконцентрації донорів в каналі Nd, акцепторів в р області Na, довжині каналу L, ширині-W ітовщині-d.
5. Який зпараметрів польового транзистора характеризує його підсилювальнувластивість в режимі малих сигналів? Визначити йогомаксимальну величину.
6. Відчого залежить ширина ОПЗ затворного р+-n-переходу.Оцінити цю ширину.
7. Дативизначення й розрахувати напругу відсікання.
8. Чимзумовлена бар‘єрна ємність затворного р-n-переходу?
9.Розрахувати вхідну ємність р-n-переходу.
10. Якіфізичні процеси обмежують діапазон робочих частот.
11.Розрахувати максимальну робочу частоту транзистора
12. Якутехнологію можна використати при розробці транзистора.
Дані для розрахунку курсової роботи:
Nd=1·1021 (м-3)- концентраціядонорів;
Na=2·1024 (м-3)-концентраціяакцепторів;
L=15·10-6 (м)- довжина каналу;
W=300·10-6 (м)-ширина каналу;
d0=0,8·10-6 (м)- віддаль між металургійнимимежами;
e=12,5-діалектричнапроникливість кремнію;
e0= 8.85·10-6-діалектричнапроникливість у вакумі;
mn=0,14(м2/В×с)-рухливість електронів;
mр=0,05(м2/В×с)-рухливість дірок;
ni=1.45·1016(м-3)-концентраціяелектронів у власному н/п в умовах термодинамічної рівноваги;
Vs=10·105 (м×с-1)-швидкість насичення;
Тt=300(K)-кімнатна температура;
k=1.38·10-23 (Дж×K-1)-константа Больцмана.Вступ
Польові транзистори з керуючим р-n-переходом –уніполярні напівпровідникові прилади, принцип дії яких заснований на дрейфіосновних носіїв заряду. Такі транзистори мають менший вхідний опір порівняно зМДН-транзисторами, однак він є набагато більшим від вхідного опору біполярноготранзистора. Розрізняють польові транзистори з керуючим р-n-переходом якприлади з каналом р- або n-типу провідності.
Польові транзистори з керуючим р-n-переходом перш завсе використовуються в підсилювальному режимі. Тут в багатьох випадках вонимають переваги над МДН-транзисторами. Зокрема вжливою перевагою польовихтранзисторів з керуючим р-n-переходом є малий рівень власних шумів і високастабільність параметрів в часі. Причиною цих переваг є те, що канал в польовихтранзисторах з керуючим р-n-переходом відокремлений від поверхні р-n-переходом. На межі каналу й ОПЗ відсутні поверхневі дефекти, які зумовлюють якнестабільність параметрів, так і додаткові шуми в МДН-транзисторах. Такітранзистори відзначаються високою радіаційною стійкістю.
/>Рис. 1. Схематичне зображення польового транзистора з керуючим p-n — переходом
1) Принципові відмінності польовихтранзисторів від біполярних
Основноювідмінністю польових транзисторів від біполярних є те що польові транзистори єуніполярними приладами, тобто в переносі заряду бере участь лише один видносіїв, тому відсутні процеси інжекції і екстракції, що покращує їх частотнівластивості.
В польвих транзисторах інформаційний сигнал (керуюча дія)задається у вигляді напруги або електричного поля, а в біполярних керуваннявідбувається вхідним струмом. Вхідний опір в уніполярнихтранзисторів значно більший, тому досягається високий коефіцієнт підсилення заструмом.
Вихіднийопір великий, але має певне значення, який зумовлиний поверхневими втратами ймодуляцією довжини каналу, а в біполярних транзисторах модуляція ширини бази –ефект Ірлі.
2) Прифіксованій напрузі зміщення на затворі струм в каналі збільшується зізростанням напруги на стоці доки при деякій порівняно невеликій напрузі Uc=Ucнас невідбувається насичення струму. На ВАХ необхідно розрізняти ділянку насичення талінійну. Формули для визначення ВАХ улінійній ділянці:
/>
в ділянці насичення:
/>
На лінійній ділянці стум стоку пропорційний до Uc, а у ділянці насичення стум стоку не залежить від напруги стоку. Припідвищенні від‘ємної напруги зміщення на затворі Uз струм насичення і напруга, що відповідаєпочатку насичення зменшуються. Це зумовлено зниженням початкової товщинипровідного каналу, що, в свою чергу призводить до більшого початкового опоруканалу транзистора. При значних напругах на стоці може виникнути пробій р+-n-переходу затвора. Зворотня напруга на р+-n-переході затвора змінюється вздовж каналу, досягаючи максимальногозначення в кінці каналу біля стоку і дорівнює сумі напруг на стоці і назатворі. Отже, пробій польового транзистора може відбуватися при різнихнапругах на стоці залежно від напруги на затворі. Оскільки польові транзисторивиготовляють здебільшого на основі кремнію, пробій таких транзисторів, якправило, має лавинний характер.
/>
Статичні характеристикипередачі: Іс=f(Uз) при Uc=const.Струм стоку буде максимальним приUз=0.Якщо напруга на затворі досягає напруги відсікання, то канал повністюперекривається і струм у вхідному колі спадає практично до нуёля. При змінінапруги на стоці зміщенням передачі практично можна знехтувати у зв‘язку змалими змінами струму стоку.
Характеристика передачі Ic(Uз)/Uc=const
/>
3) ВАХнелінійна через те, що міняється механізм проходження носіїв через транзистор:дрейфовий в лінійній ділянці ВАХ, й переходить в екстракційний на ділянцінасичення.
4) Розрахунок опору каналу:
/>
/>
;
g0=(0,95·10-6 ×200·10-6 × 1.6·10-19 × 0.14 × 4·1021)/ 12·10-6 = 14,186·10-3 (Ом -1)
g0 — провідність каналу
R.k0=1/14,186·10-3 =70,49(Ом)
5) Підсилювальна характеристикатранзистора:
Характеризується коєфіцієнтом підсилення за напругою відображає вплив напругистоку і затвору на струм стоку і визначається відношенням приросту напругистоку до напруги затвора :
/>
Коефіцієнт підсилення занапругою дорівнює добутку крутості характеристики на вихідний опір.
/>
S=187,3·10-8А/В=1.8мА/В
/>S-крутістьхарактеристики
-контактнарізниця потенціалів
/>фк=3,91*10-2
Ku=187,3·10-7/10-3 = 174.259·10-3
З характеристикикрутості випливає, що для отримання вищих значень крутості характеристики необхідномати менше значення опору каналу або більшу питому провідність вихідногоматеріалу. В той же час концентрація домішки в каналі повинна бути невеликою,щоб при підвищенні зворотньої напруги на р-n-переході збіднений шар поширювавсяв бік каналу. Отже, отримання вищих значень крутості характеристики необхідно при виготовленні польового транзистора вибирати матеріал з вищою рухливістюносіїв заряду. Також крутість характеристики залежить від відношенняширини каналу W до його довжини. Тому відповідно для отримання вищої крутостіхарактеристики потрібно мати мале відношення довжини каналу до його ширини,тобто короткий і широкий канал. Максимальна крутість при Uz=0.
6) Ширина просторового заряду/> />
dН=0.95*10-6×(1-(0.1/115.7*10-3)1/2)=56.05*10-9(м)
Ширина просторовогозаряду залежить від віддалі між металургійними межами, від напруги на затворі йнапруги відсічки.
7)Напруга відсікання /> />
При деякому значенні напруги затвора Uzзбіднена ділянка р+-n- переходу займає весь канал d0-настає повне відсікання каналу. За наступною формулою можем визначити напругувідсікання:
UBid=1.6·10-19 × 4·1021× (0,95×10-6)2/ 8 × 8.85·10-12 × 12.5 =1,019·102 (В)
8)Бар’єрна ємність визначається як відношенняприросту заряду зумовлений зміною прикладеної напруги dU :
/>
9)Польовийтранзистор з керуючим р-n-переходом розглядаєм як різкий несиметричний р+-n-перехід,для якого рахуєм барєрну ємність:/> />
Сb=38,52*10-15 (ф)
10)Обмеження діпазону робочих частот
Максимальна частота, на якій МДН-транзистор можна вважати активним,визначається як частота на якій коефіцієнт підсилення за потужністю Кр дорівнюєодиниці. Для реальних транзисторів гранична частота обмежується не вхідноюємністю, а часом прольоту електронів через провідний канал.
11)Максимальна робоча частота транзистора /> />
В ділянці насичення:
fi= 105/2*3.14*12*10-6= 1,32*109 (Гц)
При роботі на високих частотах необхідно мати малу ємність затвору, малудовжину каналу і використовувати прилади з каналом n-типу провідності, оскількирухливість електранів є більшою, ніж рухливість дірок.
12)Технологіярозробки транзистора
В сучасній технології виготовлення напівпровідників легування є одним збазових процесів виготовлення польових транзисторів з керуючим р-n- переходом.Неуклінне збільшення швидкодії і степеня інтеграції МДН-ІС, так і біполярних ІСдосягається постійним зменшенням геометричних розмірів структур за рахунокудосконалення методів локальнаго легування .
Методи легування можна поділити на слідуючі групи:високотемпературна дифузія; іонна імплантація; радіаційно- стимульованадифузія.
Для кожної групи характерно використанняспеціалізованого технологічного обладнання, забезпечуючого проведення процесу встрогоконтролюємому режимі.
Високотемпературна дифузія. Методи дифузії являються основними і найбільшрозповсюдженими при легуванні напівпровідників.
Дифузія представляє собою обумовлений тепловим рухомпереміщення в напрямку зменшення їх концентрації.
При дифузії в кристал розрізняють переміщення атомівданого твердого тіла. Швидкість дифузії залежить відградієнта концентрації атомів. Радіаційно-стимульованадифузія. Цейметод дифузії оснований на введенні домішок в результаті бомбардуваннянапівпровідникового кристалу легкими іонами з енергією, достатньою для зміщенняатомів підкладки в міжвузля.
Висновок
В цій курсовій роботі я дослідив ВАХ польового транзистора з керуючимр-n- переходом, розрахував опір каналу, що становить R.k0=70,49 (Ом), ширину ОПЗ dn=56.05*10-9 (м), напругу відсікання UBid= 101,9 (B),бар’єрну ємність Сb = 38,52*10-15 (ф), максимальну робочу частоту транзистора fi=1,32·109 (Гц).Література
1. Дружинін А.О.“Твердотільна електроніка. Фізичні основи і властивості напівпровідниковихприладів”, 2001р., Львів, 223 ст.
2. Дулін В. Н.”Электронныеприборы”,1997р., Москва «Энергия»,344 ст.
3. Пасинков В.В. “Полупроводниковые приборы”, підручник, 1987р., Москва “Высшаяшкола”,301ст.