| 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 = pi
2
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
1- инверсия;
2- 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
|
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
|
UЗ
|
UЗ
|
UЗ
|
UЗ
|
UЗ
|
| IC
|
|||||
| 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 6.189e-3 8.820e-3 0.011 0.013 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.019 0.019 0.018 0.017 0.016 0.015 |
0.000 3.559e-3 6.808e-3 9.748e-3 0.012 0.015 0.017 0.018 0.020 0.021 0.022 0.022 0.022 0.022 0.022 0.021 0.020 |
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
|
IC
|
| 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 затворе 5 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.