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
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.
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.
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.
Рисунок 1.4 – Режим инверсии
инверсия;
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
UЗ [B] С [Ф]
0.01
0.05
0.1
0.2
0.22
0.26
0.3
0.32
0.36
0.4
0.42
0.46 3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
3.182e-5
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
UC [B] UЗ = 9 UЗ = 10 UЗ = 11 UЗ = 12 UЗ = 13
IC [A]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16 0.000
2.322e-3
4.334e-3
6.037e-3
7.431e-3
8.515e-3
9.290e-3
9.756e-3
9.913e-3
9.761e-3
9.299e-3
8.528e-3
7.448e-3
6.058e-3
4.359e-3
2.351e-3
3.399e-5 0.000
2.631e-3
4.952e-3
6.965e-3
8.668e-3
0.010
0.011
0.012
0.012
0.013
0.012
0.012
0.011
0.010
8.689e-3
6.990e-3
4.982e-3 0.000
2.940e-3
5.571e-3
7.892e-3
9.905e-3
0.012
0.013
0.014
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.014
0.013
0.012
9.930e-3 0.000
3.249e-3????????????????????????????????????????????????????????????????
?????????????????????????????????????????–??????†??
Рисунок 3.1 – График зависимости тока стока от функции напряжения стока
при постоянных значениях напряжения на затворе
3.2 Стоко-затворная характеристика
при UC =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
затворе5 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.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
