МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ЗАПОРОЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ
Факультет электроники и электронных технологий
Курсовой проект
по “твердотельной электронике”
На тему: “Расчет полупроводникового диода и МДП-транзистора”.
Выполнил
Номер зачётной книжки
Проверила :
Дата здачи:
Дата проверки
Бугрим А.А
Переверзєва О.Н.
____________
____________
Запорожье
2004
4
РЕФЕРАТ
26 страниц, 1 приложение, 6 таблиц, 6 графиков, 4 источника литературы
В
работе
рассматривается
транзистор
МДП-структкры
и
диод.
Описываются их классификация, свойства, параметры. Произведен расчет
основных параметров, зависимостей, характеристик. Представлены таблицы и
графики
прямой
и
обратной
ВАХ диода,
передаточная
и стоковые
характеристики для МДП-транзистора.
Диод, МДП-транзистор, режим обеднения, инверсия, канал, затвор, сток, исток,
ток, пороговое напряжение, подвижность, температура, ёмкость, вольт-амперная
характеристика, крутизна.
5
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ
1 Полупроводниковый диод
5
6-10
1.1 Принципы классификации полупроводниковых диодов
6-8
1.2 Выпрямительные диоды
8-9
1.3 Импульсные диоды
9-10
2 МДП-транзистор
10-14
2.1 Классификация и основные особенности транзисторов
10-12
2.2 Система обозначений транзисторов
12-14
2.3 МДП-структура с индуцированным каналом
14
3 Расчет параметров диода
15-17
4 Расчет характеристик диода
17-19
5 Расчет параметров и характеристик МДП-транзистора
20-24
ВЫВОД
25
Список использованной литературы
26
6
ВВЕДЕНИЕ
С момента изобретения полупроводниковых приборов, они нашли широкое
применение
в
самой
разнообразной
аппаратуре.
Это
связано
с
их
преимуществами перед вакуумными лампами, отсутствие цепей накала,
миниатюрное конструктивное оформление, высокая механическая прочность и
практически мгновенная готовность к работе, что позволило коренным образом
изменить внешний облик и функциональные возможности аппаратуры. В
настоящее
время
наибольшее
распространение
получили
полностью
управляемые вентили - полевые и биполярные транзисторы- и замена ими диодов
и тиристоров, особенно в устройствах малой и средней мощности. Кроме того,
транзисторы
используются
в
промышленных
устройствах
в
качестве
усилительных и ключевых элементов.
Электронные устройства (схемы) состоят из электрически связанных
между
собой
пассивных
компонентов
и
активных
компонентов
–
полупроводниковых приборов. Изучение основ работы полупроводниковых
приборов дает возможность изучит, и понять работу более сложных схем [1].
7
1.1 ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Полупроводниковые
радиоэлектроники,
(энергетической)
диоды
автоматики
широко
и
преобразовательной
применяются
вычислительной
техники.
в
устройствах
техники,
Несмотря
на
силовой
большое
разнообразие и широкую номенклатуру выпускаемых в настоящее время диодов,
их можно классифицировать по ряду признаков, важнейшими из которых
являются физические эффекты и явления, определяющие механизм работы
приборов,
конструктивно-технологические
параметров
и
области
применения.
особенности,
совокупность
Классификация
современных
полупроводниковых диодов по их назначению, физическим свойствам, основным
электрическим
параметрам,
конструктивно-технологическим
признакам,
исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе
условных обозначений диодов. В основу системы условных обозначений и
маркировки диодов положен буквенно-цифровой код, отражающий информацию
об исходном полупроводниковом материале, подклассе (или группе) приборов,
назначении (параметр или принцип действия), порядковом номере разработки.
Условное обозначение включает еще ряд буквенно-цифровых элементов,
определяющих классификацию по параметрам диодов (ток, напряжение,
быстродействие) и содержащих дополнительную информацию (исполнение
корпуса диода, размер под ключ или диаметр таблетки и др.).
По
типу исходного
полупроводникового
материала
диоды
делятся
на
кремниевые, германиевые и диоды из арсенида галлия. Реже применяются
другие полупроводниковые материалы: селен, карбид кремния. Большинство
современных полупроводниковых диодов изготавливаются на основе кремния. В
зависимости
от
конструктивно-технологических
особенностей
различают
плоскостные, точечные и микросплавные диоды. Точечные и микросплавные
диоды предназначены для работы на СВЧ и имеют ограниченный выпуск. Диоды
изготавливают по диффузионной и сплавной технологии с применением
операций эпитаксии и имплантации примесей. Сплавная технология в настоящее
время имеет ограниченное применение.
8
Класс диодов содержит следующие подклассы: выпрямительные диоды,
импульсные диоды, сверхвысокочастотные диоды, стабилитроны, стабисторы,
варикапы и параметрические диоды, диоды Шоттки, туннельные и обращенные
диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, светоизлучающие диоды и
полупроводниковые лазеры, фотодиоды, магнитодиоды, тензодиоды и др.
Особое место в силовой (энергетической) полупроводниковой электронике
занимают
силовые
диоды
(с
предельным
средним
или
предельным
действующим током 10 А и более), или, по другой отечественной
классификации, мощные диоды (с рассеиваемой мощностью 1 Вт и более).
Силовые полупроводниковые диоды имеют несколько отличающуюся систему
классификации и систему обозначений. По нагрузочной способности в области
пробоя
силовые
диоды
подразделяются
на
выпрямительные,
лавинные
выпрямительные, лавинные выпрямительные с контролируемым пробоем.
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока.
Для этих диодов работа в области пробоя недопустима. В соответствии с
действующими стандартами (техническими условиями) к этим диодам даже
кратковременно
не
разрешается
прикладывать
обратные
напряжения,
приводящие к лавинному пробою р-п переходов.
Лавинные выпрямительные диоды могут в течение ограниченного интервала
времени рассеивать импульс приложенной энергии в области пробоя, при работе
на обратной ВАХ, т. е. работать в качестве ограничителя напряжения. Вольтамперная
характеристика
выпрямительного
кремневого
диода
средней
мощности приведена на рисунке 1.
Iпр А
Рисунок 1- Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода средней мощности
Лавинные
выпрямительные
диоды
с
контролируемым
пробоем
предназначены для работы в установившемся режиме в области пробоя, т. е.
9
могут работать в качестве стабилизаторов, а в отдельных случаях - в качестве
ограничителей напряжения.
Система параметров диодов включает большое число параметров. Параметры
диодов подразделяются на предельные параметры, определяющие предельно
допустимые значения- максимально и (или) минимально допустимые значения—
и характеризующие (рабочие) параметры.
Допустимое значение параметра- это значение, при котором ожидается
удовлетворительная работа прибора, а предельно допустимое значение
параметра — это значение, за пределами которого прибор может быть
поврежден или выведен из строя.
Характеризующее значение параметра- это значение электрической, тепловой,
механической или другой величины, которое характеризует определенное
свойство прибора. Разница между характеризующими и предельно допустимыми
значениями параметров заключается в том, что последние нельзя измерять, их
можно только проверять. Они устанавливаются на основе опытов, испытаний
(часто разрушающих) или расчетов. Характеризующие значения параметров
можно непосредственно или косвенно измерить.
1.2 ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного
тока в постоянный. Частотный диапазон их работы невелик. При преобразовании
промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а
верхняя граница рабочих частот - так называемая предельная частота
выпрямительных диодов - как правило, не превышает 500 Гц - 20 кГц.
Для
характеристики
выпрямительных
диодов
используют
следующие
параметры: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uoбрmax напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без
опасности нарушения его работоспособности (обычно Uoбрmax =0,5~0,8
Uпроб,
где
Uпр о б -
напряжение
пробоя);
максимально
допустимый
постоянный прямой ток Inpmax, постоянное прямое напряжение Uпр, максимально
10
допустимый постоянный обратный ток Iobpmax- обратный ток утечки диода при
приложении к нему напряжения Uoбрmax; частота без снижения режимов—
верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и
напряжения.
По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три
группы: диоды малой мощности (I ПР <0,ЗА), диоды средней мощности
(0,ЗА<I пр <10А) и мощные (силовые) диоды (Iпр>10А).
Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет р+-n-n+ структуры, т. е.
изготавливаются на основе высокоомного кремния n-типа электропроводности.
Это связано с тем, что поверхность слаболегированного n-кремния не
подвержена каналообразованию в отличие от слаболегированного р-кремния.
Каналообразование
на
высокоомном
р-кремнии
связано
с
наличием
положительного заряда на границе раздела кремний—диоксид кремния и
приводит к резкому увеличению токов поверхностной утечки выше допустимой
нормы.
1.3 ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ
Импульсный диод - это полупроводниковый диод, имеющий малую
длительность переходных процессов и предназначенный для применения в
импульсных режимах работы. Импульсные диоды используют в качестве
ключевых элементов схем, работающих с сигналами длительностью вплоть до
наносекундного диапазона.
Основным параметром, характеризующим свойства импульсного диода, является
время восстановления обратного сопротивления диода tвос, представляющее собой
интервал времени от момента подачи импульса обратного напряжения до
момента, когда обратный ток диода уменьшается до заданного значения.
Импульсные диоды, как правило, имеют малую емкость Сд, измеряемую как
емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении. Для
импульсных диодов указываются также следующие параметры: постоянное
прямое напряжение Uпр (при протекании постоянного тока Iпр) и обратный ток Iобр
11
(при
заданном
обратном
напряжении).
Предельные
режимы
работы
импульсных диодов характеризуются максимальным значением обратного
напряжения Uобртах любой формы и периодичности и максимальным значением
прямого импульса тока 1примтах.
2.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ
Можно выделить три класса полевых полупроводниковых приборов:
полевые транзисторы, полевые тиристоры и приборы с зарядовой связью.
Широкое распространение в современной электронике находят полевые
транзисторы.
Полевые приборы в схеме выполняют те же функции, что и биполярные
приборы, и могут работать в усилительном или ключевом режиме. Главная
особенность полевых приборов состоит в том, что их цепь управления
изолирована от выходной цепи диэлектриком или обратносмещенным р-п
переходом. Фактически цепь управления полевого прибора представляет собой
конденсатор, заряд на обкладках которого изменяется под действием
управляющего
поля
(напряжения).
Полупроводниковая
обкладка
этого
конденсатора С входит в выходную цепь прибора: изменение заряда обкладки
приводит к изменению сопротивления канала rкан и соответственно выходной
мощности.
Рисунок 2- МДП-транзистор с поверхностным горизонтальным проводящим каналом: ОПЗ — область
пространственного заряда
В классе полевых транзисторов различают транзисторы со структурой металлдиэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы) и транзисторы с управляющим
р-п переходом. В МДП-транзисторах управляющая цепь затвор З- исток И
отделена от канала диэлектриком. Обычно в качестве диэлектрика используют
оксид (диоксид кремния SiO2) и говорят о МОП-транзисторах (со структурой
металл-оксид-полупроводник). Проводящий канал в МДП-транзисторах (показан
12
штриховкой на рис. 2) расположен между стоком С и истоком И и имеет
повышенную концентрацию носителей заряда по отношению к исходному
полупроводнику-подложке. Проводимость канала изменяется с помощью цепи
управления либо за счет изменения концентрации носителей заряда канала,
либо за счет изменения его геометрических размеров.
МДП-транзисторы
применяют
двух
типов:
со
встроенным
и
индуцированным каналами. Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со
встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод-затворнапряжения U 3 с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в
канале: для р-канала Uз>0, для n-канала U3<0. Напряжение затвора U3 указанной
полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала
увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если изменить полярность
напряжения на затворе (например, для МДП-транзистора со встроенным
р-каналом подать U 3 <0), то произойдет обогащение канала дырками и
соответственно увеличение выходного тока.
В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при напряжении на
затворе, равном нулю, канал отсутствует. Только при приложении к затвору так
называемого порогового напряжения образуется (индуцируется) канал. При этом
полярность напряжения на затворе должна совпадать со знаком основных
носителей в объеме полупроводника-подложки: на поверхности полупроводника
индуцируется заряд противоположного знака, т. е. тип проводимости приповерхностного слоя полупроводника инвертируется и образуется проводящий
канал.
Таким образом, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в
режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме
обогащения.
В полевых транзисторах с управляющим р-п переходом управляющая цепь
отделена от канала обратносмещенным р-п переходом, при этом канал
расположен в объеме полупроводника и существует при нулевом напряжении на
затворе, т. е. является встроенным каналом. На управляющий р-п переход
13
можно подавать только обратное напряжение, и поэтому полевые транзисторы
с управляющим р-п переходом работают в режиме обеднения канала
носителями заряда.
С точки зрения эксплуатации полупроводниковых приборов необходимо
подчеркнуть, что МДП-транзистор с индуцированным каналом в отсутствие
напряжения управления заперт -это нормально закрытый прибор. Полевой
транзистор со встроенным каналом (полевой транзистор с управляющим р-п
переходом или МДП-транзистор со встроенным каналом)-прибор нормально
открытый, т. е. для поддержания закрытого состояния таких транзисторов
необходимо запирающее смещение в цепи управления. Если цепь управления по
какой-либо причине отключается, то нормально закрытый прибор запирается, а в
нормально открытом приборе ток на выходе резко возрастает и прибор может
выйти из строя.
Наибольшее
применение
в
современной
электронике
получили
МДП-
транзисторы с индуцированным каналом.
2.2 СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Полевой транзистор имеет три основных электрода: управляющий электрод
-затвор 3 и выходные электроды - сток С и исток И. Стоком называется
электрод, к которому поступают носители заряда из канала. Если канал,
например, n-типа, то носители заряда, поступающие из канала, — электроны, а
полярность напряжения стока положительная. Возможен также четвертый
электрод П, который соединяется с пластиной исходного полупроводника —
подложкой [1].
На рисунке 3 приведены основные обозначения полевых транзисторов; для
сравнения здесь же показаны обозначения биполярных транзисторов.
14
Рисунок 3-Условные обозначения:
а ~ биполярного транзистора; б — МДП-транзистора с индуцированным каналом; в - ПТУП
МДП-транзисторы с индуцированным каналом (нормально закрытые) имеют
пунктирную линию в обозначении канала (рис. 3,6), полевые транзисторы со
встроенным каналом (нормально открытые) — сплошную (рис. 3, в). Стрелка в
обозначении полевых транзисторов определяет тип канала: направлена к каналу для канала n-типа и от канала- для р-типа. Практически направление стрелки
совпадает с направлением тока стока в стоковом электроде, что позволяет легко
определить полярности управляющего (3—И) и выходного (С—И) напряжений.
Полярность управляющего и выходного напряжений для МДП-транзистора с
индуцированным каналом одинакова, для полевых транзисторов со встроенным
каналом- противоположна [1].
Семейство выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом
представлено на рисунке 4
Рисунок 4- Семейство выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом
Параметром семейства выходных ВАХ МДП-транзистора является напряжение на
затворе Uзи с увеличением напряжения Uзи сопротивление канала уменьшается и
15
ток стока Ic возрастает- характеристика идет выше. Можно выделить три
основные рабочие области:
1- область отсечки выходного тока: транзистор заперт и в цепи стока протекает
малый остаточный ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового p-n
перехода.
2- активная область (пологая часть выходных ВАХ) - область где выходной ток Ic
остается практически неизменным с ростом напряжения Uси.
3- область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток Ic в этой области работы
задается внешней цепью.
2.3 МДП-СТРУКТУРА С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ
МДП-структура состоит из полупроводника П — обычно кремний, тонкого
слоя диэлектрика Д — чаще всего диоксид кремния, металлической пленки М.
Управление выходной мощностью в МДП-структуре сводится к управлению
сопротивлением канала, который возникает (индуцируется) под действием поля
затвора у поверхности полупроводника П. Можно выделить два основных
режима МДП-структуры. Во-первых, режим обеднения, когда у поверхности
полупроводника
структуры
отсутствуют
подвижные
носители
заряда
и
соответственно сопротивление канала очень большое (канал закрыт); заряд у
поверхности полупроводника при этом представляет собой неподвижные ионы
обедненной примеси (область пространственного заряда — ОПЗ). Во-вторых,
режим инверсии, при котором у поверхности полупроводника индуцируется
заряд подвижных носителей (дырок или электронов в зависимости от типа
канала), сопротивление канала уменьшается (канал открыт). Чем больше
концентрация подвижных носителей, тем меньше сопротивление канала и тем
большая мощность передается в нагрузку.
Полевые транзисторы широко применяются в устройствах промышленной
электроники: в источниках питания и стабилизаторах, в преобразователях для
привода постоянного и переменного тока, в мощных усилителях, в выходных
каскадах вычислительных устройств, в системах управления преобразователей и
др [1],[2].
16
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИОДА
Дано: A-0.1 (см), h-200 (мкм), ωб-180 (мкм), Nб-2*1015 (1/см3), Nэ-1018 (1/см3),
tб-3 (мкс), RT-11 (K/Ват)
Справочные данные: ni=1.45*1010 (см-3), ε=12, ε0=8,85,*10-14 (Ф/см)
Вычисления
Находим по графикам ρб-удельное сопротивление базы диода и μ-подвижность
электронов.
ρб= 2,42 (Ом*см), μn=1290 (см2/(В*с)), μp=470 (см2/(В*с))
Рабочее обратное напряжение находим из условия
U
обр
0,7 * min U , U
л
прок
где 0,7-коэфициент запаса;
Uл- напряжение лавинного пробоя;
Uпрок-напряжение прокола;
gN 2
б б = 4,8*104 (В)
U
прок
2
0
Uл=86 ρб0,64= 86*2,420,64= 151,50 (В)
Минимальным оказалось Uл, следовательно, Uобр равно:
Uобр=0,7* Uл=0,7*151,50=106,05 (В)
Обратный ток диода рассчитываем при условии, что на диод действует обратное
напряжение Uобр:
I
обр
M (I
og
Ir )
где М- коэфициент лавинного умножения;
Iog- ток насыщения перехода;
Ir- генерационный ток перехода;
Ток насыщения Iog находим по формуле:
gSl
i
I
r
2t
б
где l- толщина обедненного слоя:
17
φт= KT 1.3 *10
23 * 300
1.6 *10 19
g
0.026 (В) - тепловой потенциал
18 * 2 *1015
N N
φк= LN э б 0.026 * LN(10
T
n2
i
(1.45 *1010 ) 2
) 0.77 (В)-контактная разность
потенциалов
l
2 0 k U обр N э N б
gN э N б
1,6 * 10 19 * 12 * 8,86 * 10 14* (0,77 106,05)(10 18 2 * 10 15 )
1.6 * 10 19 * 10 18 * 2 * 10 15
= 0.0008 (см)
M=[1-( Uобр/ Uл)5]-1=[1-(106,05/151,50)5]-1=1,202
Генерационный ток перехода Iг:
I
r
1,16 *10 19 * 0,01 * 0,0008 *1,45 *1010
3,259 *10 9 (А)
6
2 * 3 *10
Для нахождения тока насыщения перехода Igo необходимо найти Dh,- коэфициент
диффузии дырок в базе:
D
рб
2
0.026 * 470 12,16 (см /с)
T P
gn 2SD
i
рб 1,16 *10 19 * (1,45 *1010 ) 2 0,01 *12,16
I
1,14 *10 13 (A)
go
2
15
N
1,8 *10
* 2 *10
б б
Все известно для нахождения Iобр:
Iобр=1,202*(1,14*10-13+3,259*10-9)=3,92*10-9 (А)
Прямой максимальный ток диода и максимальное прямое падение напряжения
находим из условия равенства мощности, выделяющейся при протекании тока
через диод, и тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду:
Рэл=Ртепл
Электрическая мощность, выделяющаяся при протекании тока:
Рэл=IU(I)
Тепловая мощность, отдаваемая в окружающую среду, определяется перепадом
температур между р-п переходом и внешней поверхностью корпуса и тепловым
сопротивлением корпуса диода:
Ртепл=(Тр-n-Тк)/RT=(413-300)/11=10,27 (Ват)
Равенство величин Рэл и Ртепл дает уравнение:
18
IU(I)- (Тр-n-Тк)/RT=0
При U(I) ≈ 1, I≈Ртепл
При U(I) ≈0,79, Im≈13 (А)
Найдем необходимые величины для расчета падения напряжения диода и
сопротивления базы Rб:
b
n
1290
3
2.74
p
470
;
ώб= б 1,8 *10
L
In =
б
2
0,006
TS
bL th ( )
б
б
b
L б D рб t б 12,16 * 3 *10 6 0,006
2,98
0,026 * 0,01
6,48 *10 3 (А)
2,42 * 2,74 * 0,006 * 0,995
K
I
13
204 ,4
I n Sh ( б ) 6,48 *10 3 * 9,82
R
бо
(см) ;
2
бо 2.42 * 1,8 *10
4,36 (Ом)
б S
0,01
R (I )
б M
R
б
бо
1 k2
Ln
e б (1 k 1 k 2 ) (1 k 1 k 2 )
0,042 (Ом)
e б (1 k 1 k 2 ) (1 k 1 k 2 )
Находим падения напряжения диода от найденного максимального тока Im :
I
13
U(I) T Ln ( M 1) R (I )I 0,026 * Ln (
1) 0,042 * 13 0,79 (В)
б
M
M
13
I
1,14 * 10
0g
Максимальная плотность тока:
J
I
13
2
M
1300 (А\см )
pn
S
0.01
4 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДА
Прямую ветвь ВАХ рассчитываем с помощью соотношения:
Ug=Up-n+URб,
где- Up-n,URб- падение напряжения соответственно на p-n переходе и на
сопротивление базы. Напряжение перехода связано с током соотношением:
19
I
M
Up - n Ln
1
T I
g0
;
URб=Rб(IМ)I;
Таблица 1
I
Up-n
Urб
U
0
6,00E-06
5,00E-05
1,00E-05
5,00E-04
1,47E-03
1,00E-02
0,055
0
0,4601
0,5150
0,4733
0,5746
0,6025
0,6521
0,6962
0
1,08E-05
8,98E-05
1,80E-05
8,98E-04
2,64E-03
1,80E-02
9,87E-02
0
0,4601
0,5151
0,4733
0,5754
0,6051
0,6700
0,7949
14
12
10
8
6
4
2
0
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Рисунок 5- прямая ВАХ диода
Обратная ветвь ВАХ описывается формулой:
I обр M(I og Ir)
ток насыщения является константой и является равным:
Ig0=1,14*10-13 (А)- по расчетам выше.
Таблица 2
Uобр
106
100
90
80
60
50
20
0
Iг
3,26E-09
3,16E-09
3,00E-09
2,83E-09
2,46E-09
2,24E-09
1,44E-09
0
М
1,201418
1,14322
1,079885
1,042808
1,009837
1,00393
1,00004
0
Iобр
3,911E-09
3,615E-09
3,241E-09
2,953E-09
2,480E-09
2,254E-09
1,436E-09
0
1,40
20
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1,400E-10
1,140E-09
2,140E-09
3,140E-09
4,140E-09
Рисунок 6- обратная ВАХ диода
Температурную зависимость прямого падения напряжения диода рассчитывают
для фиксированного тока IМ:
I
g0
(T ) I
T,К
Ig0(T)
300
320
340
360
380
400
420
8,28E-10
2,01E-08
4,89E-07
1,19E-05
2,89E-04
7,01E-03
1,70E-01
(T )eT
g0 0
Рисунок 7- Температурная зависимость прямого падения
напряжения диода
Температурная зависимость обратного тока рассчитываем для температур в диапазоне
300…420 К.
T
I обр (T) I обр (T0 )2 T
*
;
∆Т=20˚ К; Т*=10˚ К; α=0,16
Таблица 4
T,К
Iобр(T)
300
320
340
360
380
400
420
1,57E-08
6,27E-08
2,51E-07
1,00E-06
4,01E-06
1,60E-05
6,42E-05
Рисунок 7- Температурная зависимость обратного тока диода
21
5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА
Исходные данные: Zk=500 (мкм), Lk=5 (мкм), d=0,2 (мкм), Na=8*1015 (см-3),
Nпов=2*1010 (см-2), hU=3 (мкм), LU=6 (мкм), hс=3(мкм), Lс=6 (мкм), Rтем=50 (К/Ват)
Справочные данные: ni=1,45*1010 (см-3), ε0=8,85,*10-14 (Ф/см), φмп=-0,95, ρ=0,0156
(Ом*см)
Вычисления
Рассчитаем важнейший параметр МДП-транзистора с индуцированным каналом –
пороговое напряжение:
U опр mn 2 F
Q n Q пов
Сg
;
где φMn- разность работ выхода в системе металл-затвор-полупроводник;
φF- потенциал уровня Ферми, отсчитанный от середины запрещенной зоны;
F T LN
Na
8 *1015
0.026 * LN
0,342 (В);
ni
1,45 *1010
Qпов- плотность фиксированного заряда на поверхности раздела диэлектрикполупроводник
Q пов gN пов 1,16 *10 19 * 2 *1010 3,2 *10 9 (Кл/см2)
Qn-плотность заряда нескомпенсированых ионизированных атомов примеси в
подложке
2 0 2 F
gN a
2 * 12 * 8,85 * 10 14 * 2 * 0,342
3,37 * 10 5 (см)-ширина обедненного
19
15
1,6 * 10 * 8 * 10
слоя в канале при Uзи=0.
2
Q gN 1,6 *10 19 * 8 *10 *15 *2,96 *10 5 3,79 *10 8 (Кл/см )
n
a
g
С
g
d
U
пор
0
4 * 8,85 *10 14
1,8 *10 8 (Ф)- удельная емкость затвор-исток
2 *10 5
0,95 2 * 0,342
4,31 * 10 8 3,1 * 10 9
2 (В)
1,8 * 10 8
Находим напряжение смыкания:
22
19 * 8 *1015 * (5 *10 4 ) 2
gN L2
2gN
a k L
a F 1,6 *10
U
см
k
14
2
2 *12 * 8,85 *10
0
0
2 *1,6 *10 19 * 8 *1015 * 0,342
136,3 (В)
12 * 8,85 *10 14
- 5 *10 4
Усилительные
свойства
МДП-транзистора
характеризуются
крутизной,
максимальное значение которой:
S
2
Z
k U U 200 * 1,8 * 10 8 5 * 10
C
* 3 2 0,0002
max
n g 2L
зи
п
4
5 * 10
k
Передаточная характеристика диода
I (U )
c
зи Ucu const
Ic=K[Uзи-Uпор]2
Коэффициент К представляет собой характеристический параметр МДПтранзистора, который зависит от его геометрии и электрофизических свойств:
K
Z
0 g n k 8,85 * 10 14 * 4 * 200 * 5 * 10 2
1,8 * 10 4
4
4
2dL
2 * 0,2 * 10
* 5 * 10
k
представим передаточную характеристику в таблице и графически:
Таблица 5
Ic
Uзи
Uпор
0,00
6,36E-07
2,14E-06
4,53E-06
1,81E-04
4,04E-04
7,15E-04
2
2,125
2,25
2,375
2,5
2,625
2,75
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
23
1,10E-04
1,00E-04
9,00E-05
8,00E-05
7,00E-05
6,00E-05
5,00E-05
4,00E-05
3,00E-05
2,00E-05
1,00E-05
0,00E+00
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
Рисунок 4- передаточная характеристика МДП-транзистора
2,8
2,9
24
Семейство ВАХ в триодной области описывается выражением:
I K 2( U U
) U U
c
зи
пор
си си
Расчеты представим в виде таблицы:
Таблица 6
Ic
Uзи
Uси
0
4,50E-05
4,50E-05
4,50E-05
4,50E-05
4,50E-05
4,50E-05
4,50E-05
4,50E-05
Ic
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Uзи
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Uси
0
1,13E-04
2,43E-04
2,59E-04
2,59E-04
2,59E-04
2,59E-04
Ic
3,2
3,2
3,2
3,2
3,2
3,2
3,2
Uзи
0
0,3
0,9
1,2
2
2,5
3
Uси
0
2,88E-04
5,67E-04
7,83E-04
8,64E-04
8,71E-04
8,71E-04
8,71E-04
8,71E-04
4,2
4,2
4,2
4,2
4,2
4,2
4,2
4,2
4,2
0
0,4
0,9
1,5
2
2,66
3
3,5
4
25
1,0E-03
8,0E-04
6,0E-04
4,0E-04
2,0E-04
0,0E+00
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Рисунок 5- семейство стоковых ВАХ МДП-транзистора
Паразитные емкости Сзи , Сзс принимаются равными между собой:
1 S
g 0 3 1 * 4 * 8,85 * 10 14 * 25 *10 6
C С
2.2 *10 13 (Ф)
зи
зс
5
2d
2 * 2 *10
максимальная мощность, рассеиваемая в кристалле, рассчитывается по формуле:
T
T
mp n
K 413 300
P
2,26 (Вт)
max
R
50
T
Граничная частота равна:
2
2
2 *10 5
d
0,0156
9,37 * 10 5 (Гц)
F
гр 2 2L
14
4
2 *12 * 8,85 * 3,14 * 10
2 * 5 *10
0 K
Сопротивление стока и истока рассчитываем по формуле:
r r L / 3h Z 0,156 * 6 *10 4 /(3 * 3 *10 4 * 0,05) 0,21 (Ом)
u
c
K
u K
26
ВЫВОД
В
ходе
выполнения
курсового
проекта
рассчитал
характеристики диода. Изображена прямая ВАХ диода,
параметры
и
на которой показана
зависимость тока диода от напряжения диода. Рассчитан максимальный прямой
ток диода Iпрmax=13 А. Представлена обратная ветвь ВАХ- обратный ток слабо
зависит от обратного напряжения, рабочее обратное напряжение Uобр=106,5 В.
Рассчитан МДП-транзистор, изображены ВАХ передаточной и ВАХ в
триодной
области.
Uпор=2
В
-пороговое
напряжение
МДП-транзистора.
Передаточная характеристика характеризует зависимость тока стока Iс от
напряжения
затвор-исток
Uзи
(при
Uси=const)-
зависимость
имеет
экспоненциальный вид. На графике ВАХ в триодной области видно участок
резкого изменения тока и участок с малым изменением тока (область насыщения).
Можно с уверенностью сказать, что для МДП-транзистора параметром является
напряжение на затворе, следовательно, прибор управляется напряжением.
27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Тугов М.Н. Полупроводниковые приборы –Москва. 1990 г. 575 стр.
2 Герасимов Г.В. Основы промышленной электроники -Москва. 1986 г. 336 стр.
3 Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника - Москва. 1986 г.
304 стр.
4
Переверзева О.Н., Переверзев А.В. Методические указания к курсовому
проектированию по курсу “Твердотельная электроника”- Запорожье ЗГИА 2000г.
