Расчёт параметров и характеристик полупроводникового диода и транзистора МДП - типа
Министерство образования и науки Украины
Запорожская государственная инженерная академия
Факультет электронной техники и электронных технологий
Кафедра электронных систем
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по дисциплине: Твердотельная электроника
на тему: Расчёт параметров и характеристик полупроводникового диода и транзистора МДП - типа
Студент группы ЭС - 2 - 04д С.В.
Руководитель проект Мовенко Е.Д.
Запорожье
2006
РЕФЕРАТ
27 с., 17 рисунков,8 таблиц, 6 ссылок.
В курсовом проекте рассмотрены структура, основные элементы и вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов, принцип действия, структура и словные графические обозначения МДП-транзисторов.
В результате расчетов определены параметры и характеристикиа выпрямительного диода и МДП-транзистора. В соответствии с полученными результатами арасчетов апостроены асоответствующие графики.
Выпрямительный диод, нагрузка,
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИ5
1а ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ.6
1.1 Структурные особенности полупроводникового диода.6
1.2 Прямое включение диода.6
1.3 Обратное включение диода.7
2а ТРАНЗИСТОРЫ МДП-ТИПА.9
2.1 Конструкция и принцип действия9
Условные графические обозначения МОП - транзисторов10
3а РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА.......................................................................11
3.1 Исходные данны..11
3.2 Модель выпрямительного диода.11
3.3 Расчет параметров и характеристик диода14
4а РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
МДП-ТРАНЗИСТОРА...22
ВЫВОДЫ.26
СПИСОК ССЫЛОК.27
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение полупроводниковых приборов объясняется тем, что по сравнению с электронными лампами они обладают неоспоримыми преимуществами, главными среди которых являются малые габариты и вес, высокий коэффициент полезного действия, почти неограниченный срок службы, высокая эксплуатационная надежность. Такие приборы способны работать при малых напряжениях питания и на высоких частотах.
Наиболее распространёнными приборами в электронике являются выпрямительные диоды, полупроводниковые стабилитроны, туннельные, импульсные и СВЧ диоды, также биполярные и полевые транзисторы, которые используются в преобразовательных стройствах в качестве силителей и вентилей. Широкое распространение получили полностью правляемые вентили - биполярные и полевые транзисторы, заменяющие диоды и тиристоры, особенно в стройствах малой и средней мощности.
Для того чтобы конструировать электронные схемы и эффективно применять полупроводниковые приборы нужно знать принципы их действия и основные параметры. Изложение этих фундаментальных представлений являются основной задачей твердотельной электроники как науки и учебной дисциплины [1].
1а ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1.1 Структурные особенности полупроводникового диода
Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества, ровня легирования внутренних элементов диода характеристики полупроводниковых диодов бывают различными. Основу выпрямительного 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 представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.
Рисунок 1.1 Электронно-дырочный переход
1.2 Прямое включение диода
При прямом напряжении на диоде внешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p<-n<-переходе, так как внешнее электрическое поле при прямом включении диода направлено противоположно диффузионному полю. Поэтому высот потенциального барьера перехода меньшается пропорционально приложенному к диоду напряжению. [2]
|
Up-n прям |
|
Up-n обратн |
|
I прям |
|
I обратн |
Рисунок 1.2 ВАХ полупроводникового диода
1.3 Обратное включение диода
Обратный ток диода, как видно из рисунка 1.2, начиная с очень малых значений обратного напряжения, не будет изменяться с изменением напряжения. Этот неизменный с изменением напряжения обратный ток через диод, называемый током насыщения, объясняется экстракцией неосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей. Это приводит к меньшению граничной концентрации неосновных носителей заряда около p<-n<-перехода и дальнейшему расширению области пространственного заряда из-за величения потенциального барьера.[3] а
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
p |
|
n |
|
+ |
|
- |
|
Up-n |
|
Евнутр |
|
Евнешн |
|
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
- |
Рисунок 1.3 Обратное включение полупроводникового диода
2 ТРАНЗИСТОРЫ МДП-ТИПА
2.1 Конструкция и принцип действия
Типичная конструкция МДП-транзистора с индуциронванным р-каналом изображена на рисунке 2.1.
 |
Рисунок 2.1 Структура МДП-транзистора
На рисунке подписаны: 1 - область истока; 2 - р-канал; 3 - металлизация затвора; 4 - диэлектрик; 5 - область стока; 6 - подложка; 7 - область пространственного заряда (ОПЗ); 8 Ч металлизация подложки.
Стоконвая и истоковая р-области совместно с индуцированным р-каналом образуют выходную цепь МДП-транзистора. правление выходной мощностью обеспечивается изменнением напряжения на затворе: если напряженние на затворе станет более отрицательным, то сопротивнление канала меньшится и при заданном напряжении на стоке выходной тока величится.[4]
Транзистор, у которого канал создаётся вследствие приложенного напряжения на затворе, называется транзистором с индуцированным каналом. Однако может быть транзистор и со встроенным каналом. В этом случае канал заранее создаётся технологическими методами.
Следует отметить, что МОП транзистор со встроенным каналом может работать в режиме обеднения и обогащения.[5]а
2.2 Условные графические обозначения МОП - транзисторов
|
С |
|
С |
Существуют различные графические обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа и
|
П |
|
И |
|
П |
|
И |
|
З |
|
З |
 |
|||||
) б)
Рисунок 2.2 словные графические обозначения МОП - транзисторов с индуцированным каналом С С
|
П |
|
П |
|
И |
|
З |
|
З |
|
И |
|
|||||||
а) б)
Рисунок 2.3 словные графические обозначения МОП - транзисторов со встроенным каналом 3а РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА 3.1 Исходные данные Расчёты параметров и характеристик диода выполняем в предположении, что диод является кремниевым и имеет кусочно-однородную структуру типа а
Исходные данные для расчетов:
геометрия кристалла - параллелепипед с квадратным основанием А=1 см, толщина пластины h = 300 мкм, толщина базы 3.2
Модель выпрямительного диода p-n), сопротивление базы диода (Rб) и сопротивление течки (Rу). Рисунок 3.1 Модель Эберса - Молла полупроводникового диода Тепловой потенциал φт , В: j Т = КТ/ где Kа - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура в кельвинах; q - заряд электрона. Коэффициент диффузии дырок в базе Dpб,см2/с: Dpб=
Наиболее распространенная в теории электрических цепей модель полупроводникового диода,
достаточно полно учитывающая особенности его нелинейной вольт-амперной характеристики, - модернизированная модель Эберса-Молла (рисунок 3.1). Данная модель включает барьерную и диффузионную ёмкости диода (Сбд , Сдд
), ток а
φт=470∙0,026= 12,22
(3.2)
где 2/В*с) - подвижность дырок, которая определена по рисунку 3.2.
Рисунок 3.2
Зависимость подвижности электронов и дырок от концентрации примеси кремния апри 30К
Тепловой ток диода Iдо, А :
(3.3)
где 
Ч концентрация собственных носителей в полупроводнике;
Ч площадь
Контактная разность потенциалов φк, В:
(3.4)
Барьерная емкость диода Сб0, Ф:
(3.5)
Сопротивление базы диода Rб, Ом:
(3.6)
где 
Ч дельное сопротивление базы диода, определяем по рисунку 3.3.
Рисунок 3.3 Зависимость дельного сопротивления германия и кремния от концентрации примеси при 30К
3.3 Расчет параметров и характеристик диода
Напряжение прокола Uпрок, В:
(3.7)
Напряжение лавинного пробоя Uл, В:
(3.8)
Рабочее обратное напряжение Uобр, В:
а (3.9)
где 0,7 - коэффициент запаса.
Толщина обедненного слоя Генерационный ток перехода Iг, А Коэффициент лавинного умножения М: где Обратный ток диода Диффузионная длина неравновесных носителей Находим По графикам (рисунок 3.2)
определяем подвижности электронов и дырок: μn=1320 см2/(В*с); μp<=470 см2/(В*с). Максимальный прямой ток диода и максимальное прямое падение напряжения находят из словия равенства мощности, выделяющейся при протекании тока через диод, и тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду: Электрическая мощность, выделяющаяся при протекании тока: Тепловая мощность, отдаваемая в окружающую среду, определяется перепадом температур между а
Равенство величина Определяем По ВАХ диода с помощью компьютера находим произведение Падение напряжения диода для тока I : Находим
Определяем коэффициент Зависимость Максимальная плотность тока 2: Прямая ветвь ВАХ диода определяется с помощью соотношения: Результаты расчетов токов и напряжений оформлены в виде таблицы 3.1. Таблица 3.1а 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 3.4а График зависимости Uд= f(Iд) для прямого напряжения на диоде Обратную ветвь ВАХ рассчитаем с помощью соотношения: где 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 Рисунока 3.5а График обратной ветви ВАХ диода Iобр= Зависимость Результаты расчётов генерационных токов диода представлены в таблице 3.3. На основании полученных данных построена зависимость Iг=f(Uобр) (рисунок 3.6). Таблица 3.3а 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 Рисунок
3.6 График зависимости Iг=f(Uобр) Зависимость Таблица 3.4 Зависимость М=f(Uобр) U, В M 0 1, 40 1, 80 1,1 120 1,7 160 1,0030 200 1,0091 240 1,0229 280 1,0508 320 1,1041 360 1,2046 400 1,4038 Рисунок 3.7а График зависимости М= Зависимость Iдо
= f (T) теплового тока диода описывается формулой: где Iдо
(To) - ток диода при температуре Т=300о
С; αsi = 0,16 К-1; ΔT = 20
Таблица 3.5а Зависимость Iдо = f (T) T, K 300 320 340 360 380 400 420 I до, A 1,32*10-10 3,24*10-9 7,94*10-8 1,95*10-6 4,78*10-5 1,17*10-3 2,88*10-2 Рисунок 3.8а График зависимости Iдо = f (T) Температурную зависимость обратного тока рассчитываем по формуле: где Т*=10
Таблица 3.6а Зависимость Iобр = f (T) T, K 300 320 340 360 380 400 420 I обр, A 9,50*10-8 3,80*10-7 1,52*10-6 6,08*10-6 2,43*10-5 9,73*10-5 3,89*10-4 Рисунок 3.9а График зависимости Iобр = f (T) 4а РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА Исходные данные для расчетов: Zк=1500*10-4 см - ширина п/п структуры; Lk<=6*10 -4 см - длина канала; d<=0,16*10-4 см - толщина оксидного слоя (изолятора затвора); Na<=6*1015 см -3 Ч концентрация акцепторов в подложке; Nпов=1,2*1011 см -2
Ч поверхностная плотность зарядов; hист=4*10-4 см - толщина истока; Lист=7*10-4 см - длина истока; hcток=4*10-4 см - толщина стока; Lсток=7*10-4 см - длина стока; Rt<=40 К/Вт - тепловое сопротивление корпуса. Напряжение смыкания, В: где дельная емкость затвор-канал, Ф: где Ширина обедненного слоя в канале при Uзи =0, м: Плотность заряда нескомпенсированных ионизированных атомов примеси в подложке, Кл/см2: Плотность заряда на границе диэлектрик-полупроводник, Кл/см2: Крутизна,
А/В: где Пороговое напряжение транзистора, В: Коэффициент К: Паразитные емкости затвора,
Ф: где Sз=Zk*Lk - площадь затвора. Сопротивление стока и истока, Ом: где Таблица 4.1а Передаточная характеристика полевого транзистора На рисунке 4.1 построено семейство передаточных характеристик транзистора для значений напряжения между стоком и истоком 1, 2, 4 В. Рисунока 4.1а Стоко-затворная характеристика полевого транзистора Семейство стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом строим путём совмещения двух областей его ВАХ: триодной и области насыщения. U си , В I с, А I с, А I с, А 0 0.00 0.00 0.00 20 0.75 0.52 0.22 40 1.09 0.86 0.50 60 1.20 0.97 0.61 80 1.20 0.97 0.61 100 1.20 0.97 0.61 120 1.20 0.97 0.61 140 1.20 0.97 0.61 160 1.20 0.97 0.61 180 1.20 0.97 0.61 200 1.20 0.97 0.61 U зи = 6 В 4 В 0 В Таблиц 4.2а Семейств Рисунока 4.2а Семейств ВЫВОДЫ В результате расчетов параметров и характеристик полупроводниковых приборов были получены результаты,
не противоречащие справочным данным. При расчете параметров и характеристик полупроводникового выпрямительного диода обратный ток
В ходе расчетов параметров и характеристик МДП-транзистора были получены значения основных параметров:
пороговое напряжение Из полученных результатов можно сделать вывод, что полупроводниковый выпрямительный диод можно использовать в качестве вентиля, так как обратный ток через диод при расчете оказался равным Список ссылок 1.
Исаков Ю.А., Руденко В.С. Промышленная электроника на базе полупроводниковой техники - М.: Высшая школа, 1975г. - 328с. 2.
Тугов Н.М., Глебов Б.А. Полупроводниковые приборы Ч М.:Энергоатомиздат,1990г.Ч 576с. 3.
Батушев В.А. Электронные приборы - М.: Высшая школа,1980г.Ч 383с. 4.
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника - М.: Высшая школа,1991г.Ч 617с. 5.
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы - М.: Высшая школа,1987г.Ч 479с. 6.
Методические указания к курсовому проектированию по курсу ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКАФ / Сост.: А.В. Переверзев, О.Н. Переверзева - Запорожье: ЗГИА, 2.
Ц 36 с.
а (3.10)
(3.11)
а(3.12)
(3.13)
аи 
(3.14)
(3.15)
аи 
адает равнение
(3.16)
(3.17)
I <=75,4 А ; аU <=0,99
В.
(3.18)
а A:
а (3.19)
(3.20)
аописывается соотношением, Ом:
(3.21)
(3.22)
а, агде 
, 
(3.23) 
,
(3.24)
а,
(3.25)
(3.26)
(3.27)
аописывается формулой:
(3.28)
акоэффициента лавинного умножения от обратного напряжения на диоде описывается формулой:
(3.29)
(3.30)
(3.31)
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
2∙В-1∙с-1Ч подвижность электронов в канале.
(4.7)
(4.8)
(4.9)
(4.10)
Ч дельное сопротивление канала.
, напряжение смыкания 
аrи=rс=42,07
Ом. В результате построений характеристик МДП-транзистора были получены типичные вольтамперные характеристики транзистора МДП-типа с индуцированным каналом