Идентификация параметров математических моделей биполярных транзисторов КТ209Л, КТ342Б и полевого транзистора КП305Е (стр. 1 из 5)
Московский государственный технический университет
им Н.Э. Баумана
Калужский филиал
Пояснительная записка к курсовой работе
по курсу «Физика полупроводниковых приборов»
на тему:
«Идентификация параметров математических моделей биполярных транзисторов КТ209Л, КТ342Б и полевого транзистора КП305Е»
Содержание
Полевые транзисторы
1. Теоретические сведения по МДП транзисторам
2. Качественный анализ работы МДП- транзисторов
3. Уравнения для описания ВАХ МДП-транзистора
4. Эффект подложки
5. Структурно-физическая эквивалентная схема МOП транзистора
6. Характеристики МДП транзистора
7. Расчетная часть
7.1 Справочные данные
7.2 Описание макета
7.3 Семейство выходных характеристик
Биполярные транзисторы
8. Теоретические сведения по биполярным транзисторам
9. Характеристики транзисторов, используемые для экстракции параметров математических моделей.
10. Расчетная часть
11. Биполярный транзистор КТ209Л
11.1 Справочные данные
11.2 Режимы работы, характеристики
11.3 Расчет коэффициентов неидеальности эмиттерного и коллекторного переходов
12. Биполярный транзистор КТ342Б
12.1 Справочные данные:
12.2 Режимы работы, характеристики
12.3 Расчет коэффициентов неидеальности эмиттерного и коллекторного переходов
13. Малосигнальные параметры биполярных транзисторов
14. Литература
Цель курсовой работы
В ходе выполнения курсовой работы получить знания в области своей будущей профессии, проводя небольшие исследования.
В данной курсовой работе необходимо определить параметры структурно-физических математических моделей диодов и полевых транзисторов, малосигнальных и структурно-физических моделей биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p типов. Параметры этих моделей находятся посредством обработки экспериментальных характеристик, которые определяются с помощью двух стендов. На одном из них производится снятие малосигнальных h- параметров биполярных транзисторов при включениях по двум схемам (с общей базой и с общим эмиттером) с использованием прибора Л2-21/1. На другом - производится снятие статических характеристик - входных, выходных, передаточных прямых и обратных в активном режиме и в режиме насыщения. Эти параметры являются главными элементами системы моделирования и анализа радиоэлектронных цепей. Такое моделирование позволяет значительно сократить сроки создания новых изделий РЭА и резко снизить затраты на макетирование этих изделий.
диод транзистор радиоэлектронная цепь
Полевые транзисторы
1. Теоретические сведения по МДП транзисторам
Одними из главных элементов современных ЭВМ являются транзисторы, в основу работы которых положен эффект поля. Такие транзисторы получили название полевых (ПТ) или униполярных, работа которых базируется на модуляции проводимости толщины проводящего приповерхностного слоя полупроводника изменением напряженности поперечного электрического поля. Использование таких транзисторов позволило резко снизить энергопотребление цифровых ИМС и упростить управление мощными энергопотребителями (с тепловыделением до нескольких киловатт). В полевых транзисторах с встроенным каналом (ПТВК) проводимость канала обусловлена движением основных носителей заряда, в полевых транзисторах с индуцированным каналом (ПТИК) проводимость канала обусловлена движением неосновных носителей заряда. В данной работе рассматривается топология, структура, конструкция и функционирование полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом. Сечение структуры ПТИК с каналом p-типа представлена на рис. 1а, топология представлена на рис. 1б. Электрод подложки может быть формирован с тыльной или с лицевой (планарной) стороны структуры. Далее рассматриваются свойства ПТИК с каналом р-типа. В зависимости от величины напряженности поперечного электрического поля (поля под затвором) ПТ различают режимы обогащения, обеднения и инверсии. В ПТИК в активном режиме имеет место инверсия типа проводимости.
В отсутствие напряжения, приложенного к затвору, р-n -переходы, образованные сильнолегированными областями р+ c подложкой, смещены в обратном направлении. В подложке на границе раздела между полупроводником и диэлектриком образуется положительный заряд подвижных дырок, который уравновешивает отрицательный заряд, образованный в случае подачи на электрод затвора положительного потенциала относительно истока ( и часто соединенной с ним подложки). Если заряд, сообщенный металлизации затвора превосходит тот, что необходим для компенсации встроенного положительного заряда поверхностных состояний и заряда, связанного в диэлектрике, то к приповерхностной области полупроводника подходят из глубины полупроводника неосновные носители заряда - дырки и формируется (индуцируется) проводящая область – канал.
Проводимость канала растет с увеличением потенциала затвора (по модулю). Обозначение полевых транзисторов со встроенным каналом представлено на рис. 2а, а обозначение полевых транзисторов с индуцированным каналом дается на рис. 2б.
Канал отделен от основного объема подложки высокоомным слоем объемного заряда. Поэтому, если на подложке формируются несколько ПТИК, то их взаимным влиянием можно пренебречь (при расстоянии между транзисторами большем, чем толщина высокоомного слоя объемного заряда). Большая толщина диэлектрика под токопроводящими дорожками вне электродных областей истока, стока и затвора гарантирует отсутствие проводящих каналов (т.к. при этом повышается пороговое напряжение под этими проводящими дорожками).
2. Качественный анализ работы МДП- транзисторов
Определим потенциал на поверхности полупроводника, при котором плотность заряда свободных дырок полупроводника превышает плотность заряда свободных электронов и ионизированных атомов примеси. Концентрации электронов и дырок в полупроводнике в присутствии потенциала j на границе между диэлектриком и полупроводником описываются уравнениями:
p = pi exp((-F+qj)/kT)=p0 exp(qj/kT),
n = ni exp((-F-qj)/kT) = n0 exp(qj/kT).
Т.е. равновесные концентрации электронов и дырок связаны с собственной концентрацией, уровнем Ферми и поверхностным потенциалом. Проводящий канал образуется при:
p0exp(qj/kT) > n0 exp(-qj/kT) + Nd,
где Nd = ni (exp(F/kT) - exp (-qj/kT)) -плотность ионизированных атомов донорной примеси, откуда условие образования канала принимает вид:
qj > 2F.
значит заметная проводимость между стоком и истоком появляется при напряжении на затворе, превышающем сумму контактной разности потенциалов на МДП структуре jмдп, напряжения, соответствующего эффективному заряду поверхностных состояний, и напряжения на границе между диэлектриком и полупроводником, когда плотность подвижных дырок превышает плотность электронов и ионизированных атомов донорной примеси. Напряжение, эквивалентное эффективному заряду поверхностных состояний Qss, равно Uпс/Cd, где Сd - удельная емкость слоя диэлектрика, покрывающего канал. Удельную емкость диэлектрика можно определить, зная диэлектрическую проницаемость диэлектрика и его толщину d:
Сd = eeO/d.
Образующийся канал экранирует остальную часть подложки. Дальнейшее изменение напряжения на затворе приводит к увеличению напряжения на слое диэлектрика, а напряжение на слое объемного заряда в подложке остается практически неизменным. Падение напряжения на слое ОПЗ можно изменить прикладывая напряжение к электроду подложки относительно истока. Положительное напряжение, приложенное к подложке, увеличивает проводимость канала. Uпор - такое напряжение на затворе, при котором канал появляется. Граничное напряжение Uси.гр. делит ВАХ ПТ на две области - крутую и пологую зависимости тока стока от напряжения сток-исток.
3. Уравнения для описания ВАХ МДП-транзистора
В стационарном состоянии полный заряд в МДП-структуре, приходящийся на единицу площади, должен равняться нулю. Значит,
Q = Qp + Qn + Qss + Qопз + Qмдп,
где Q- заряд, равный заряду, появившемуся на обкладке затвора, Qp -заряд подвижных дырок, Qn- заряд подвижных электронов, Qss - заряд поверхностных состояний, Qопз - заряд обедненного слоя, Qмдп - заряд электронов в подложке, обусловленный разностью работ выхода в мдп структуре (работы выхода металла и работы выхода полупроводника).
Ток в канале ПТИК (ток стока) в наиболее общем случае определяется, согласно формуле:
Id = (ze0edmp/Ld) { [Ugs - Uмдп - Qss/Cd -jко]Uds – Uds2/2- - 2/3 (d/ eo ed) (2eoeqNd)1/2[(Uds + Ubs +jко)3/2 - (Ubs + jко)3/2]}.
Здесь z - ширина канала, mр. - подвижность носителей заряда в канале, d - толщина подзатворного диэлектрика, а L - длина канала, ed – относительная диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика.
В рамках упрощенной модели в пологой области ВАХ МДП -транзистора следуют формулам:
при напряжении на затворе меньшем, чем напряжение отсечки (для транзистора с встроенным каналом) или при пороговом напряжении (для транзистора с индуцированным каналом). Реальные выходные характеристики МДП- транзисторов показывают резкую (крутую) и слабую зависимости тока стока от напряжения сток-исток (см. рис. 3).
На крутом участке выходной характеристики (в ненасыщенном состоянии) ток стока приближенно может быть описан как :
где параметр BETA для р- канального транзистора находится в соответствии с формулой:
.