Министерство образования и наукиУкраины
Запорожская государственнаяинженерная академия
Факультет электронной техники иэлектронных технологий
Кафедра электронных систем
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по дисциплине: Твердотельная электроника
на тему: Расчёт параметров ихарактеристик полупроводникового диода и транзистора МДП – типа
Студент группы ЭС — 2 — 04д С.В.
Руководитель проекта Мовенко Е.Д.
Запорожье
2006
РЕФЕРАТ
27с.,17рисунков,8таблиц, 6 ссылок.
Вкурсовом проекте рассмотрены структура, основные элементы и вольтамперные характеристикиполупроводниковых диодов,принцип действия, структура и условные графические обозначения МДП-транзисторов.
В результате расчетовопределены параметры и характеристики выпрямительного диода и МДП-транзистора. В соответствии с полученными результатами расчетов построены соответствующие графики.
Выпрямительныйдиод, нагрузка, p-n-переход, легирование, потенциальный барьер,уровень Ферми, запрещенная зона, зона проводимости, валентная зона, контактнаяразность потенциалов, диффузионный ток, транзистор, сток, исток, затвор,инжекция, экстракция, рекомбинация, лавинный пробой, туннельный пробой,тепловой пробой, подложкаСОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………5
1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ………………………………………….6
1.1Структурные особенности полупроводникового диода…………….6
1.2 Прямое включение диода……………………………………………….6
1.3 Обратное включение диода…………………………………………….7
2 ТРАНЗИСТОРЫ МДП-ТИПА………………………………………………….9
2.1 Конструкция и принцип действия……………………………………9
Условные графические обозначения МОП – транзисторов…………10
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА.......................................................................11
3.1 Исходные данные…………………………………………………..11
3.2 Модель выпрямительного диода…………………………………….11
3.3 Расчет параметров и характеристик диода………………………14
4 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
МДП-ТРАНЗИСТОРА…………………………………………..…………….22
ВЫВОДЫ……………………………………………………………………….26
СПИСОКССЫЛОК…………………………………………………………….27
ВВЕДЕНИЕ
Широкоеприменениеполупроводниковыхприборов объясняется тем, что по сравнению с электронными лампами они обладаютнеоспоримыми преимуществами, главными среди которых являются малые габариты ивес, высокий коэффициент полезного действия, почти неограниченный срок службы,высокая эксплуатационная надежность. Такие приборы способны работать прималых напряжениях питания и на высоких частотах.
Наиболеераспространёнными приборами в электронике являются выпрямительные диоды, полупроводниковыестабилитроны, туннельные, импульсные и СВЧ диоды, а также биполярные и полевые транзисторы, которыеиспользуются в преобразовательных устройствах в качестве усилителей и вентилей. Широкоераспространение получили полностью управляемые вентили — биполярные и полевыетранзисторы, заменяющие диоды и тиристоры, особенно в устройствах малой исредней мощности.
Длятого чтобы конструировать электронные схемы и эффективно применятьполупроводниковые приборы нужно знать принципы их действия и основные параметры. Изложение этих фундаментальныхпредставлений являются основной задачей твердотельной электроники как науки иучебной дисциплины [1].
1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1.1Структурные особенности полупроводникового диода
Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронныйприбор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа,количества, уровня легирования внутренних элементов диода характеристики полупроводниковых диодов бывают различными. Основувыпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход (рис. 1.1).Вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность.В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляетсобой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещенииток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту токанеосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленныйдиффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.
Рисунок 1.1 Электронно-дырочный переход
1.2 Прямое включение диода
При прямом напряжении на диодевнешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p-n-переходе, так как внешнееэлектрическое поле при прямом включении диода направлено противоположнодиффузионному полю. Поэтому высота потенциального барьера перехода уменьшаетсяпропорционально приложенному к диоду напряжению. [2]
Up-n прям
Up-n обратн
Iпрям
Iобратн p-n-переход.Типичная ВАХ полупроводникового диода изображена на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2ВАХ полупроводникового диода
1.3 Обратноевключение диода
Обратный ток диода, как видно из рисунка 1.2, начинаяс очень малых значений обратного напряжения, не будет изменяться с изменениемнапряжения. Этот неизменный с изменениемнапряжения обратный ток через диод, называемый током насыщения, объясняется экстракциейнеосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей. Этоприводит к уменьшению граничной концентрации неосновных носителей заряда около p-n-перехода и дальнейшему расширениюобласти пространственного заряда из-за увеличения потенциального барьера.[3]
+
+
+
+
+
+
p
n
+
-
Up-n
Евнутр
Евнешн
-
-
-
-
-
-
Рисунок1.3 Обратное включение полупроводникового диода
2 ТРАНЗИСТОРЫ МДП-ТИПА
2.1 Конструкция и принципдействия
Типичная конструкцияМДП-транзистора с индуцированным р-каналом изображена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1Структура МДП-транзистора
На рисунке подписаны: 1 — областьистока; 2 — р-канал; 3 — металлизация затвора; 4 — диэлектрик; 5 — областьстока; 6 — подложка; 7 — область пространственного заряда (ОПЗ); 8 —металлизация подложки.
Стоковая и истоковаяр-области совместно с индуцированным р-каналом образуют выходную цепьМДП-транзистора. Управление выходной мощностью обеспечивается изменением напряженияна затворе: если напряжение на затворе станет более отрицательным, то сопротивлениеканала уменьшится и при заданном напряжении на стоке выходной ток увеличится.[4]
Транзистор,у которого канал создаётся вследствие приложенного напряжения на затворе,называется транзистором с индуцированным каналом. Однако может быть транзистори со встроенным каналом. В этом случае канал заранее создаётся технологическимиметодами.
Следуетотметить, что МОП транзистор со встроенным каналом может работать в режимеобеднения и обогащения.[5]
2.2 Условныеграфические обозначения МОП – транзисторов
С
С Существуютразличные графические обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типаи p-типа (рисунок 2.2 а, б) и синдуцированным каналом n-типа и p-типа (рисунок 2.3 а, б).
П
И
П
И
З
З
а) б)
Рисунок 2.2 Условные графические обозначения МОП –транзисторов с индуцированным каналом n-типа (а) иp-типа (б)
С
С
П
П
И
З
З
И
а) б)
Рисунок 2.3 Условные графические обозначения МОП –транзисторов со встроенным каналом n-типа (а) иp-типа (б)
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА
3.1 Исходные данные
Расчёты параметров ихарактеристик диода выполняем в предположении, что диод является кремниевым иимеет кусочно-однородную структуру типа p+-n.
Исходные данные для расчетов:геометрия кристалла — параллелепипед с квадратным основанием А=1 см, толщинапластины h = 300 мкм, толщина базы wб=280 мкм, концентрация Nб=1014 см-3 примесных атомов висходном кристалле; концентрация примесных атомов в эмиттерной области Nэ=1018 см-3; время жизнинеравновесных носителей в исходном кремнии tб= 10 мкс; тепловое сопротивление корпуса диода RТ= 1,5 К/Вт.
3.2Модель выпрямительного диода
Наиболеераспространенная в теории электрических цепей модель полупроводникового диода,достаточно полно учитывающая особенности его нелинейной вольт-ампернойхарактеристики, — модернизированная модель Эберса-Молла (рисунок 3.1). Даннаямодель включает барьерную и диффузионную ёмкости диода (Сбд , Сдд), ток p-n-перехода (Ip-n), сопротивление базы диода (Rб) и сопротивление утечки (Rу).
Рисунок 3.1 Модель Эберса — Молла полупроводниковогодиода
Тепловой потенциал φт , В:
jТ = КТ/q=1,38·10-23·300/1,6·10-19=0,026 (3.1)
где K — постоянная Больцмана;
T— абсолютная температура в кельвинах;
q— заряд электрона.
Коэффициент диффузии дырок в базе Dpб, см2/с:
Dpб=φт=470∙0,026= 12,22 (3.2)
где 2/В*с) — подвижность дырок, котораяопределена по рисунку 3.2.
Рисунок 3.2 Зависимость подвижности электронов идырок от концентрации примеси кремния при 300К
Тепловой ток диода Iдо, А :
(3.3)
где — концентрация собственныхносителей в полупроводнике;
— площадь p-n перехода.
Контактная разность потенциалов φк, В:
(3.4)
Барьерная емкость диода Сб0, Ф:
(3.5)
Сопротивление базы диода Rб, Ом:
(3.6)
где — удельное сопротивление базыдиода, определяем по рисунку3.3 .
Рисунок 3.3 Зависимость удельного сопротивления германия и кремния от концентрациипримеси при 300К
3.3 Расчетпараметров и характеристик диода
Напряжениепрокола Uпрок, В:
(3.7)
Напряжениелавинного пробоя Uл, В:
(3.8)
Рабочееобратное напряжение Uобр, В:
(3.9)
где 0,7 — коэффициент запаса.
Толщинаобедненного слоя l, см:
Генерационныйток перехода Iг, А
(3.10)
Коэффициент лавинногоумножения М:
(3.11)
где n– эмпирическаяконстанта, для n-Si n=5.
Обратный ток диода
(3.12)
Диффузионная длинанеравновесных носителей cм:
(3.13)
Находим и
(3.14)
(3.15)
По графикам (рисунок 3.2)определяем подвижности электронов и дырок: μn=1320 см2/(В*с); μp=470 см2/(В*с).
Максимальныйпрямой ток диода и максимальное прямое падение напряжения находят из условияравенства мощности, выделяющейся при протекании тока через диод, и тепловоймощности, отдаваемой в окружающую среду:
Электрическаямощность, выделяющаяся при протекании тока:
Тепловаямощность, отдаваемая в окружающую среду, определяется перепадом температурмежду p-nпереходом ивнешней поверхностью корпуса и тепловым сопротивлением корпуса диода.
Равенство величин и дает уравнение
(3.16)
Определяем
(3.17)
По ВАХ диодас помощью компьютера находим произведение I=75,4 А; U=0,99В.
Падение напряжения диода для тока I:
(3.18)
Находим A:
(3.19)
Определяем коэффициент
(3.20)
Зависимость описываетсясоотношением, Ом:
(3.21)
Максимальная плотность тока p-nперехода 2:
(3.22)
Прямаяветвь ВАХ диода определяется с помощью соотношения:
, где , (3.23)
Результатырасчетов токов и напряжений оформлены в виде таблицы 3.1.
Таблица 3.1 Прямая ВАХ диода
Iд, мА
U p-n, В
U Rб, В
Uд, В
0
0,00
0,00
0,00
10
0,65
0,04
0,69
20
0,67
0,08
0,75
30
0,68
0,11
0,79
40
0,69
0,15
0,84
50
0,69
0,19
0,88
60
0,70
0,23
0,93
70
0,70
0,27
0,97
75,4
0,70
0,29
0,99
Рисунок 3.4 График зависимости Uд= f(Iд) для прямого напряжения на диоде
Обратнуюветвь ВАХ рассчитаем с помощью соотношения:
, (3.24)
где
, (3.25)
(3.26)
(3.27)
Таблица 3.2 Обратная ветвь ВАХ диода
U, В
I, A
0
0,00E+00
2
3,39E-08
4
5,59E-08
6
7,36E-08
8
8,87E-08
10
1,02E-07
12
1,15E-07
14
1,26E-07
16
1,36E-07
18
1,46E-07
20
1,56E-07
Рисунок 3.5 График обратной ветви ВАХ диода Iобр=f(Uобр)
Зависимость описывается формулой:
(3.28)
Результатырасчётов генерационных токов диода представлены в таблице 3.3. На основанииполученных данных построена зависимость Iг=f(Uобр) (рисунок 3.6).
Таблица 3.3 Зависимость Iг=f(Uобр)
Uобр, В
I г, А
0
3,52E-08
2
6,90E-08
4
9,11E-08
6
1,09E-07
8
1,24E-07
10
1,37E-07
12
1,50E-07
14
1,61E-07
16
1,72E-07
18
1,82E-07
20
1,91E-07
Рисунок3.6 График зависимости Iг=f(Uобр)
Зависимость коэффициента лавинногоумножения от обратного напряжения на диоде описывается формулой:
(3.29)
Таблица 3.4 Зависимость М=f(Uобр)
U, В
M
0
1,0000
40
1,0000
80
1,0001
120
1,0007
160
1,0030
200
1,0091
240
1,0229
280
1,0508
320
1,1041
360
1,2046
400
1,4038