Національний університет
“Львівська політехніка”
Курсова робота
З курсу: “Фізика польових напівпровідникових приладів і компонентів інтегральних схем на основі МОН-структур”
на тему: “Розрахунок електричних параметрів і характеристик польового транзистора з керуючим р-n-переходом”
Виконав:
Перегинець І.І.
Прийняв:
1. Принципова відмінність польових транзисторів від біполярних.
2. Намалювати сім'ю ВАХ і характеристик передачі.
3. Які фізичні фактори відповідають за нелінійність ВАХ.
4. Розрахувати опір ділянки кола стік-витік транзистора у відкритому стані при концентрації донорів в каналі Nd, акцепторів в р області Na, довжині каналу L, ширині-W і товщині-d.
5. Який з параметрів польового транзистора характеризує його підсилювальну властивість в режимі малих сигналів? Визначити його максимальну величину.
6. Від чого залежить ширина ОПЗ затворного р+-n-переходу. Оцінити цю ширину.
7. Дати визначення й розрахувати напругу відсікання.
8. Чим зумовлена бар`єрна ємність затворного р-n-переходу?
9. Розрахувати вхідну ємність р-n-переходу.
10. Які фізичні процеси обмежують діапазон робочих частот.
11. Розрахувати максимальну робочу частоту транзистора
12. Яку технологію можна використати при розробці транзистора.
Дані для розрахунку курсової роботи:
Nd=1·1021 (м-3)- концентрація донорів;
Na=2·1024 (м-3)-концентрація акцепторів;
L=15·10-6 (м)- довжина каналу;
W=300·10-6 (м)-ширина каналу;
d0=0,8·10-6 (м)- віддаль між металургійними межами;
=12,5-діалектрична проникливість кремнію;
0= 8.85·10-6-діалектрична проникливість у вакумі;
n=0,14(м2/Вс)-рухливість електронів;
р=0,05(м2/Вс)-рухливість дірок;
ni=1.45·1016(м-3)-концентрація електронів у власному н/п в умовах термодинамічної рівноваги;
Vs=10·105 (мс-1)-швидкість насичення;
Тt=300(K)-кімнатна температура;
k=1.38·10-23 (ДжK-1)-константа Больцмана.
В польвих транзисторах інформаційний сигнал (керуюча дія) задається у вигляді напруги або електричного поля, а в біполярних керування відбувається вхідним струмом.
Вихідний опір великий, але має певне значення, який зумовлиний поверхневими втратами й модуляцією довжини каналу, а в біполярних транзисторах модуляція ширини бази - ефект Ірлі.
2) При фіксованій напрузі зміщення на затворі струм в каналі збільшується зі зростанням напруги на стоці доки при деякій порівняно невеликій напрузі Uc =Ucнас не відбувається насичення струму. На ВАХ необхідно розрізняти ділянку насичення та лінійну. Формули для визначення ВАХ у лінійній ділянці:
в ділянці насичення:
На лінійній ділянці стум стоку пропорційний до Uc, а у ділянці насичення стум стоку не залежить від напруги стоку. При підвищенні від`ємної напруги зміщення на затворі Uз струм насичення і напруга, що відповідає початку насичення зменшуються. Це зумовлено зниженням початкової товщини провідного каналу, що, в свою чергу призводить до більшого початкового опору каналу транзистора. При значних напругах на стоці може виникнути пробій р+-n-переходу затвора. Зворотня напруга на р+-n-переході затвора змінюється вздовж каналу, досягаючи максимального значення в кінці каналу біля стоку і дорівнює сумі напруг на стоці і на затворі. Отже, пробій польового транзистора може відбуватися при різних напругах на стоці залежно від напруги на затворі. Оскільки польові транзистори виготовляють здебільшого на основі кремнію, пробій таких транзисторів, як правило, має лавинний характер.
Статичні характеристики передачі: Іс=f(Uз) при Uc=const. Струм стоку буде максимальним при Uз=0. Якщо напруга на затворі досягає напруги відсікання, то канал повністю перекривається і струм у вхідному колі спадає практично до нуёля. При зміні напруги на стоці зміщенням передачі практично можна знехтувати у зв`язку з малими змінами струму стоку.
Характеристика передачі Ic(Uз)/Uc=const
3) ВАХ нелінійна через те, що міняється механізм проходження носіїв через транзистор: дрейфовий в лінійній ділянці ВАХ, й переходить в екстракційний на ділянці насичення.
4) Розрахунок опору каналу:
;
g0=(0,95·10-6 200·10-6 1.6·10-19 0.14 4·1021) / 12·10-6 = 14,186·10-3 (Ом -1)
g0- провідність каналу
R.k0=1/14,186·10-3 =70,49(Ом)
5) Підсилювальна характеристика транзистора:
Характеризується коєфіцієнтом підсилення за напругою відображає вплив напруги стоку і затвору на струм стоку і визначається відношенням приросту напруги стоку до напруги затвора :
Коефіцієнт підсилення за напругою дорівнює добутку крутості характеристики на вихідний опір.
S=187,3·10-8 А/В=1.8мА/В
S-крутість характеристики
-контактна різниця потенціалів
фк=3,91*10-2
Ku=187,3·10-7/10-3 = 174.259·10-3
З характеристики крутості випливає, що для отримання вищих значень крутості характеристики необхідно мати менше значення опору каналу або більшу питому провідність вихідного матеріалу. В той же час концентрація домішки в каналі повинна бути невеликою, щоб при підвищенні зворотньої напруги на р-n-переході збіднений шар поширювався в бік каналу. Отже, отримання вищих значень крутості характеристики необхідно при виготовленні польового транзистора вибирати матеріал з вищою рухливістю носіїв заряду. Також крутість характеристики залежить від відношення ширини каналу W до його довжини. Тому відповідно для отримання вищої крутості характеристики потрібно мати мале відношення довжини каналу до його ширини, тобто короткий і широкий канал. Максимальна крутість при Uz=0.
6) Ширина просторового заряду
dН=0.95*10-6(1-(0.1/115.7*10-3)1/2)=56.05*10-9 (м)
Ширина просторового заряду залежить від віддалі між металургійними межами, від напруги на затворі й напруги відсічки.
7)Напруга відсікання
При деякому значенні напруги затвора Uz збіднена ділянка р+-n- переходу займає весь канал d0- настає повне відсікання каналу. За наступною формулою можем визначити напругу відсікання:
UBid=1.6·10-19 4·1021 (0,9510-6)2 / 8 8.85·10-12 12.5 =1,019·102 (В)
8)Бар'єрна ємність визначається як відношення приросту заряду зумовлений зміною прикладеної напруги dU :
9)Польовий транзистор з керуючим р-n-переходом розглядаєм як різкий несиметричний р+-n-перехід, для якого рахуєм барєрну ємність:
Сb= 38,52*10-15 (ф)
10) Обмеження діпазону робочих частот
Максимальна частота, на якій МДН-транзистор можна вважати активним, визначається як частота на якій коефіцієнт підсилення за потужністю Кр дорівнює одиниці. Для реальних транзисторів гранична частота обмежується не вхідною ємністю, а часом прольоту електронів через провідний канал.
11) Максимальна робоча частота транзистора
В ділянці насичення :
fi= 105/2*3.14*12*10-6= 1,32*109 (Гц)
При роботі на високих частотах необхідно мати малу ємність затвору, малу довжину каналу і використовувати прилади з каналом n-типу провідності, оскільки рухливість електранів є більшою, ніж рухливість дірок.
12)Технологія розробки транзистора
В сучасній технології виготовлення напівпровідників легування є одним з базових процесів виготовлення польових транзисторів з керуючим р-n- переходом. Неуклінне збільшення швидкодії і степеня інтеграції МДН-ІС, так і біполярних ІС досягається постійним зменшенням геометричних розмірів структур за рахунок удосконалення методів локальнаго легування .
Методи легування можна поділити на слідуючі групи: високотемпературна дифузія; іонна імплантація; радіаційно- стимульована дифузія.
Для кожної групи характерно використання спеціалізованого технологічного обладнання, забезпечуючого проведення процесу в строгоконтролюємому режимі.
Високотемпературна дифузія. Методи дифузії являються основними і найбільш розповсюдженими при легуванні напівпровідників.
Дифузія представляє собою обумовлений тепловим рухом переміщення в напрямку зменшення їх концентрації.
При дифузії в кристал розрізняють переміщення атомів даного твердого тіла. Швидкість дифузії залежить від градієнта концентрації атомів.
1. Дружинін А.О. “Твердотільна електроніка. Фізичні основи і властивості напівпровідникових приладів”, 2001р., Львів, 223 ст.
2. Дулін В. Н.”Электронные приборы”,1997р.,Москва «Энергия»,344 ст.
3. Пасинков В.В. “Полупроводниковые приборы”, підручник, 1987р., Москва “Высшая школа”,301ст.
