Розрахунок електричних параметрів і характеристик польового транзистора з керуючим р-n-переходом

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:

проф. Дружинін А.О.

 

 

Львів 2002

 

Завдання:

 

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:

N_d=1·10²¹ (м^-3)- концентрація донорів;

N_a=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;

e=12,5-діалектрична проникливість кремнію;

e₀= 8.85·10^-6-діалектрична проникливість у вакумі;

m_n=0,14(м²/В×с)-рухливість електронів;

m_р=0,05(м²/В×с)-рухливість дірок;

n_i=1.45·10¹⁶(м^-3)-концентрація електронів у власному н/п в умовах термодинамічної рівноваги;

V_s=10·10⁵ (м×с^-1)-швидкість насичення;

Т_t=300(K)-кімнатна температура;

 k=1.38·10^-23 (Дж×K^-1)-константа Больцмана.

Вступ

Польові транзистори з керуючим р-n-переходом – уніполярні напівпровідникові прилади, принцип дії яких заснований на дрейфі основних носіїв заряду. Такі транзистори мають менший вхідний опір порівняно з МДН-транзисторами, однак він є набагато більшим від вхідного опору біполярного транзистора. Розрізняють польові транзистори з керуючим р-n-переходом як прилади з каналом р- або n-типу провідності.

Польові транзистори з керуючим р-n-переходом перш за все використовуються в підсилювальному режимі. Тут в багатьох випадках вони мають переваги над МДН-транзисторами. Зокрема вжливою перевагою польових транзисторів з керуючим р-n-переходом є малий рівень власних шумів і висока стабільність параметрів в часі. Причиною цих переваг є те, що канал в польових транзисторах з керуючим р-n-переходом відокремлений від поверхні р-n- переходом. На межі каналу й ОПЗ відсутні поверхневі дефекти, які зумовлюють як нестабільність параметрів, так і додаткові шуми в МДН-транзисторах. Такі транзистори відзначаються високою радіаційною стійкістю.

 

Рис. 1. Схематичне зображення польового транзистора з керуючим p-n - переходом

1)  Принципові відмінності польових транзисторів від біполярних

Основною відмінністю польових транзисторів від біполярних є те що польові транзистори є уніполярними приладами,тобто в переносі заряду бере участь лише один вид носіїв, тому відсутні процеси інжекції і екстракції, що покращує їх частотні властивості.

В польвих транзисторах інформаційний сигнал (керуюча дія) задається у вигляді напруги або електричного поля, а в біполярних керування відбувається вхідним струмом.

Вхідний опір в уніполярних транзисторів значно більший, тому досягається високий коефіцієнт підсилення за 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 U_c=U_cнас 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 U_c, а у ділянці насичення стум стоку не залежить від напруги стоку. При підвищенні від‘ємної напруги зміщення на затворі U_з 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: І_с=f(U_з) при U_c=const. Струм стоку буде максимальним при U_з=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

ф_к=3,91*10^-2

K_u=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 U_z=0.

6) Ширина просторового заряду

d_Н=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 U_z збіднена ділянка р⁺-n- переходу займає весь канал d₀- настає повне відсікання каналу. За наступною формулою можем визначити напругу відсікання:

U_Bid=1.6·10^-19 × 4·10²¹× (0,95×10^-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:

С_b= 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 К_р 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 :

f_i= 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.

Радіаційно-стимульована дифузія. Цей метод дифузії оснований на введенні домішок в результаті бомбардування напівпровідникового кристалу легкими іонами з енергією, достатньою для зміщення атомів підкладки в міжвузля. Висновок

В цій курсовій роботі я дослідив ВАХ польового транзистора з керуючим р-n- переходом, розрахував опір каналу, що становить R_.k0=70,49 (Ом), ширину ОПЗ d_n=56.05*10^-9 (м), напругу відсікання U_Bid= 101,9 (B), бар’єрну ємність С_b = 38,52*10^-15 (ф), максимальну робочу частоту транзистора f_i=1,32·10⁹ (Гц).

Література

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.