Расчет электрофизических характеристик структуры метал-диэлектрик-полупроводник

Курсовой проект - Компьютеры, программирование

Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование

µмкости пространственного заряда у поверхности полупроводника:

 

(25)

б) Емкость пространственного заряда Сп зависит от величины поверхностного потенциала ?sи плотности зарядаQx. Для идеальной МДП-структуры, не учитывающей наличие поверхностных состояний и, предполагающей, что сопротивление диэлектрика является бесконечным, заряд можно выразить формулой:

 

(26)

 

где - дебаевская длина, N - концентрация основных носителей заряда в полупроводнике.

Условие () перед этим выражением означает, что при ?s>0 следует воспользоваться знаком (+), а при ?s<0 - знаком (-).

в) Зависимость между ?sи U:

 

(27)

 

где UD-падение напряжения на диэлектрике; U - напряжение плоских зон.

Падение напряжения на диэлектрике определяется выражением:

 

(28)

 

Напряжение плоских зон определится выражением:

 

(29)

 

г) Максимальная толщина обедненного слоя в приповерхностной области МДП-структуры в режиме сильной инверсии определяется выражением:

 

(30)

 

где N=Naили Ndв зависимости от типа проводимости полупроводника:

 

(31)

 

Для МДП-транзисторов с изолированным затвором важной величиной является напряжение включения или пороговое напряжение Uпop, при котором начинается сильная инверсия:

 

(32)

 

В выражениях (31), (32) - объемный потенциал.

Дифференциальная емкость идеальной МДП-структуры:

 

(33)

 

где d - толщина диэлектрического слоя; ?D - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика [1].

 

2. Расчет необходимых электрофизических характеристик полупроводниковой структуры

 

Задание №1

Электронно-дырочный переход сформирован в кремнии таким образом, что удельные сопротивления электронной и дырочной областей составляют величины ?niи ?piсоответственно.

Исходные данные:

Удельные сопротивления электронной области ;

Удельные сопротивления дырочной области ;

Прямое напряжение ;

Температура ;

Коэффициент диффузии для электронов кремния ;

Коэффициент диффузии для дырок кремния ;

Собственная концентрация носителей заряда ;

Ширина запрещенной зоны .

Определить:

) Величину контактной разности потенциалов при комнатной температуре;

) и построить энергетическую диаграмму р-n-перехода в равновесном состоянии, а также при заданном значении величины прямого напряжения U, В;

) и построить теоретическую вольт-амперную характеристику (рассматривается движение всех носителей заряда через р-n-ереход);

) Величину дифференциального сопротивления р-n-перехода при U; Т.

 

Решение:

1)Для определения контактной разности потенциалов по формуле (5) необходимо найти концентрации электронов и дырок по формулам (3) и (4). Для этого сначала находим подвижности электронов и дырок из соотношения Эйнштейна и температурный потенциал:

 

 

2)Энергетическая диаграмма р-п - перехода в равновесном состоянии представлена на рисунке 1, а, а энергетическая диаграмма р-п - перехода при заданном значении величины прямого напряжения - на рисунке 1, б [2].

Для состояния равновесия величина искривления границ зон:

 

 

При наличии прямого напряжения:

 

 

а) б)

Рисунок 1 - Энергетическая диаграмма р-n-перехода

(а - в равновесном состоянии; б - при наличии прямого напряжения)

 

)Вольт-амперная характеристика идеального р-n-перехода может быть описана выражением (6). Для этого рассчитаем сначала ток насыщения по (9):

 

 

Таблица 1 - Таблица вольт-амперной характеристики р-n-перехода

U, BI, A-1-0,5-0,1000,10,51

Рисунок 2 - Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

 

) Величину дифференциального сопротивления р-n-перехода можно рассчитать по формуле (10):

 

 

Задание №3

p-n-переход используется в качестве переменного резистора в аттенюаторе, схема которого показана на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Аттенюатор

 

Исходные данные:

Сопротивление ;

Ток ;

Концентрация носителей ;

Обратное напряжение смещения .

1)Вычислить величину дифференциального сопротивления диода как функцию I. Смещение на диоде задается источником постоянного тока I, а связь между сигналами осуществляется через конденсатор емкостьюС, реактивное сопротивление которого пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением резистораR.

)Вычислите и постройте зависимость ослабления сигнала по напряжению в децибелах [20 lg(Uвых/Uвх)] от величины тока I. Ток насыщения можно взять равным I0 =1мкА.

)Вычислите емкость и толщину обедненного слоя при обратном напряжении смещения Uобр, если изменение плотности заряда по обе стороны резкого p-n-перехода представляет собой ступенчатую функцию, т.е. Na>Nd.

Принять ?s=16, А=10-6 м2.

 

Решение:

)Дифференциальное сопротивление диода как функция Iiизменяется в следующих пределах:

 

 

2)Зависимость ослабления сигнала по напряжению от величины тока I можно рассмотреть в виде таблицы 1 и графика (рисунок. 4)