Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Физические основы электронной техники
Рабочая учебная программа,
методические указания и контрольные работы
Учебно-методическое пособие
для студентов специальности 1-36 04 02
«Промышленная электроника»
вечерней и заочной форм обучения
Минск 2010
Учреждение образования
«Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе БГУИР
______________ (Живицкая Е.Н.)
Регистрационный № УД-____/
по дисциплине Физические основы электронной техники
для специальности 360402 «Промышленная электроника»
факультет компьютерных технологий
кафедра ИСиТ
курс - второй
семестр – третий
лекции - 6 часов
практических занятий - 4 часа
лабораторных занятий - 4 часа
самостоятельная работа - 106 часов
контрольная работа – 3 семестр
зачет – 3 семестр
всего - 116 часа
Минск 2010
Составитель программы:
А.П. Казанцев, кандидат технических наук, доцент кафедры Информационных систем и технологий Института информационных технологий Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники».
Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры
_ Информационных систем и технологий _________
протокол № __ от _____ ____
Заведующий кафедрой (В.И. Пачинин)
Одобрена и рекомендована к утверждению Советом Института информационных технологий Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
протокол № __ от _____ ___
Председатель (В.Г. Назаренко)
СОГЛАСОВАНО
Начальник ОМОУП______________Ц.С.Шикова
Дисциплина «Физические основы электронной техники» обеспечивает изучение дисциплины: «Электронные приборы».
1.2. Задачи изучения дисциплины
В результате изучения дисциплины «Физические основы электронной техники» студенты должны:
знать:
- электрические характеристики полевых и биполярных транзисторов, туннельных параметрических , обращенных диодов и диодов Шоттки;
уметь характеризовать:
- причины, приводящие к уменьшению коэффициента усиления по току в мощных транзисторах;
- причины, вызывающие ограничения величин частоты отсечки мощных биполярных и МОП- транзисторов;
уметь анализировать:
- физические процессы, влияющие на выбор структуры кремниевых и арсенид-галлиевых транзисторов ВЧ и СВЧ диапазонов ;
- компромиссы в выборе предельных электрических параметров мощных НЧ и СВЧтранзисторов;
приобрести навыки:
- в расчете основных электрических параметров биполярных и полевых транзисторов;
1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо студентам для изучения данной дисциплины:
|
Название дисциплины |
Разделы (темы) |
Высшая математика |
Дифференциальное и интегральное исчисление, комплексные числа, специальные функции |
|
Физика |
Электричество, электромагнетизм |
объем в часах.
|
Название темы |
Содержание |
Объем в часах |
СУРС |
|
Тема 1 Основы физики твердого тела |
Энергетические зонные диаграммы. Собственные примесные полупроводники. Генерация и реко мбинация. Основные аналитические выражения физики полупроводников. |
1 |
|
|
Тема 2 Электронно-дырочный переход |
Типы электронно-дырочных p-n переходов. Инжекция и экстракция. Распределение и концентрация местных носителей в базе. Импульсные свойства. Пробой. |
2 |
|
|
Тема 3 Омический контакт |
Требование к омическому контакту. Параметры и энергетическая зонная диаграмма, контакты. |
0,5 часа |
|
|
Тема 4 Биполярные транзисторы |
Общие сведения. Коэффициенты передачи тока эмиттера и базы. Статические параметры и ВАХ , частотно-импульсные свойства. Пробой транзистора |
2 |
|
|
Тема 5 Полевые транзисторы |
Идеализированные МДП структуры. МОП транзисторы. Пороговое напряжение и пути ее регулирования. Параметры. Частотные свойства. |
2 |
|
|
Тема 6 Лавинный пробой p-n перехода и пути увеличения напряжения пробоя |
Полевая обкладка. Эквипотенциальное кольцо. Резистивная полевая обкладка. Влияние геометрических размеров на величину напряжения лавинного пробоя диодов. |
0,5 часа |
|
|
Тема 7 Мощные биполярные и полевые транзисторы |
Структура мощных биполярных и полевых транзисторов. Пути увеличения коэффициента усиления в мощных биполярных транзисторах. Эффект Кирка. Полевой транзистор как усилитель мощности. |
1 |
|
|
Тема 8 СВЧ диоды |
Туннельные, обращенные и параметрический диоды. Диоды на пролетных эффектах. Диоды Шоттки. |
1 |
|
|
Тема 9 Мощные СВЧ биполярные и полевые транзисторы. |
Физические эквивалентные схемы мощных СВЧ биполярных и полевых транзисторов. Пути увеличения мощности граничной частоты. Топология. |
1 |
|
|
Тема 10 Полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) |
Принцип работы. Статические ВАХ, параметры. Модель идеализированного ПТШ. Эквивалетная схема. Частотные свойства. |
1 |
|
Название темы |
Содержание |
Объем в часах |
|
1.Исследование электрических параметров биполярных транзисторов |
Измерение коэффициента передачи тока эмиттера, выходной проводимости, сопротивления базы и обратных токов коллектора. |
2 |
|
2.Исследование электрических параметров МОП транзисторов. |
Измерение порогового напряжения, крутизны и коэффициента влияния подложки. |
2 |
|
Название темы |
Содержание |
Объем в часах |
|
1. Электрические параметры биполярных транзисторов |
Расчет коэффициента передачи тока эмиттера, выходной проводимости, сопротивления базы и обратных токов коллектора. |
2 |
|
2. Электрические параметры МОП транзисторов. |
Расчет порогового напряжения и крутизны ВАХ. |
2 |
3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
3.1. Основная и дополнительная литература
|
№ п/п |
Название |
Год издан. |
Основная |
||
|
1 |
Физика полупроводниковых приборов в 2-х кн., пер. с англ., М., Мир |
1984 |
|
2 |
Никишин В.И. и др. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов, М., Радио и связь. |
1984 |
|
3 |
Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия, пер. с англ., М., Мир |
1991 |
|
4 |
Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов, Лен., Энергоатомиздат |
1986 |
|
5 |
Колосницын Б.С. Элементы интегральных схем. Физические основы. – Мн.: БГУИР. |
2001 |
|
6 |
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы, М., Высш. Школа |
1987 |
Дополнительная |
||
|
7 |
Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов. М., МГУ |
1986 |
|
8 |
Рассадо П. Физическая электроника и микроэлектроника. – М. Высшая школа. |
1991 |
|
9 |
Завражнов В.К. и др. Мощные ВЧ транзисторы, М., Радио и связь |
1985 |
|
10 |
Гассанов Х.Г. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М., Радио и связь |
1988 |
|
11 |
Б.С.Колосницын. Лабораторный практикум по дисциплине «Физика активных элементов интегральных схем. - Мн. |
2001 |
Методические указания по дисциплине
Дисциплина “Физические основы электронной техники” является базовой дисциплиной для специальностей
В результате изучения дисциплины необходимо знать основы физики твёрдого тела и физические процессы в полупроводниковых приборах.
В программу дисциплины включены две части: электронные компоненты и методические указания.
Помимо изучения теоретического материала предусматривается выполнение контрольных заданий. Приводится примерный перечень лабораторных работ. С целью облегчения изучения материала часть “Электронные компоненты” разбита на разделы, и в каждом разделе приводятся методические указания и рекомендуемая литература.
Изучение дисциплины опирается на знания, полученные в результате изучения таких дисциплин, как “Математика”, “Физика” и “Электроника”.
Литература
Основная
БГУИР, 2001
Дополнительная
Тема 1: Основы физики твёрдого тела
Структура кристаллической решётки. Зонная модель твёрдых тел, основы квантовой механики, металлы, диэлектрики, полупроводники. Электропроводность. Электроны и дырки. Генерация и рекомбинация носителей заряда. Концентрация носителей заряда в полупроводнике при термодинамическом равновесии. Закон действующих масс. Уровень и квазиуровни Ферми. Подвижность и рассеяние. Процессы электропроводности в полупроводниках. Температурные зависимости концентрации и подвижности носителей заряда. Термоэлектронные и гальванические эффекты. Контактные и поверхностные явления. Контакты металл – полупроводник. Основные уравнения для анализа полупроводниковых приборов.
Литература
основная
[1. Стр16-72]
Дополнительная
[4.стр.18-50; 5. стр.6-37]
Методические указания
Обратите внимание на модели структур полупроводников, и, особенно, на модели энергетических зон и ковалентной связи, понимая, что основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны. Внимательно проанализируйте те электрофизические параметры, которые позволяют относить твёрдые тела к категориям: металлы, диэлектрики, полупроводники.
При изучении явлений переноса в полупроводнике при стационарно неравновесных режимах особое внимание обратите на понятия: “функция распределения Ферми-Дирака”, “собственные и примесные полупроводники”, “уровень Ферми”. Уясните явления дрейфа и диффузии. Рассматривая материал, связанный с подвижностью, обратите внимание на механизмы рассеяния свободных носителей заряда. Уясните процессы генерации и рекомбинации носителей заряда.
Вопросы для самопроверки
Тема 2: Электронно-дырочный переход
Образование электронно-дырочного (р-n) перехода. Резкий и плавный р-n переходы. Распределение объемного заряда, поля и потенциала в резком и плавном р-n переходах. Высота потенциального барьера и зависимость ее величины от различных факторов. Барьерная емкость.
Граничная концентрация неосновных носителей заряда в базе р-n перехода.
Электронно-дырочный переход при нарушении теплового равновесия: инжекция и экстракция. Распределение концентрации неосновных носителей в базе р-n перехода. Аналитические выражения вольт-амперных характеристик (ВАХ) «идеализированного» р-n перехода (диоды) при малых плотностях тока.
Генерация и рекомбинация носителей заряда в области пространственного заряда р-n перехода. Особенности работы р-n перехода при высоком уровне инжекции (при больших плотностях тока). Вольт-амперные характеристики р-n перехода (диода) при высоких уровнях инжекции. Диффузионная емкость диода.
Виды пробоя р-n перехода. Лавинный и туннельный пробои. Тепловой пробой как вторичный пробой биполярного транзистора. Возможности появления различных видов пробоя.
Переходные процессы в диоде при высоком и малом уровнях инжекции.
Зависимость величин основных параметров диода: обратного и прямого токов, прямого падения напряжения и барьерной емкости от температуры.
Литература
Основная
[1, c. 210-261, 267-307; 2, c. 4-40].
Дополнительная
[2, c. 69-80, 132; 3, c. 112-158].
Методические указания
Изучению физических явлений в р-n переходе уделите особое внимание, так как знание их необходимо для понимания принципа работы многих полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и т.д. Необходимо понять природу возникновения обедненного слоя (области пространственного заряда) в р-n переходе и иметь четкое представление о механизме образования потенциального барьера р-n перехода и о природе возникновения барьерной емкости.
При изучении распределения неосновных носителей в базе р-n перехода (диода) обратите внимание на соотношение, связывающее величины инжектированных неосновных носителей с концентрацией основных носителей при тепловом равновесии. Рассматривая аналитические выражения ВАХ идеализированного диода, обратите внимание на допущения, принятые при их выводе. Определите составляющие прямого и обратного токов диода. Уясните физическую сущность токов генерации и рекомбинации в р-n переходе и их влияние на величины обратного и прямого токов в зависимости от материала диода.
Внимательно проанализируйте три важнейших эффекта, к которым приводит высокий уровень инжекции (ВУИ). Обратите внимание на изменения в аналитических выражениях ВАХ при ВУИ.
Рассмотрите условия возникновения туннельного и лавинного пробоев, связав возможность их появления с концентрацией носителей, прилегающих к р-n переходу областей. Проанализируйте соотношения величин напряжений и напряженностей полей лавинного и туннельного пробоев, а также знак их температурных коэффициентов.
Выясните природу диффузионной емкости. Ознакомьтесь с эпюрами напряжений и токов при работе диода на импульсах большой и малой плотностях токов, анализируя их при работе диода, как в режиме генератора тока, так и в режиме генератора напряжения.
Вопросы и задания для самопроверки
Тема 3: Невыпрямляющий омический контакт
Контакт двух полупроводников с одним типом электропроводности.
Параметры и свойства омического контакта.
Энергетическая зонная диаграмма омического контакта.
Литература
Основная
[1, c. 186-192; 2, c. 47-49].
Дополнительная
[2, c. 68-80].
Методические указания
При рассмотрении физических явлений в контактах металл-полупроводник обратите внимание на причины, вызывающие искривление энергетических уровней полупроводника в приконтактной области. Выясните, при каких условиях контакт металл-полупроводник считается омическим.
Обратите внимание на свойства контактов n+-n и p+-p, особенно в аспекте возможности накопления неосновных носителей в слаболегированной области контакта.
Вопросы и задания для самопроверки
Тема 4: Биполярные транзисторы
Физические явления в биполярных транзисторах. Схема включения транзистора с общей базой и общим эмиттером.
Модель Эберса-Молла.
Распределение стационарных потоков носителей заряда. Коэффициент передачи тока и его составляющие для нормального и инверсного включения транзистора. Основные статистические параметры транзистора. Входные и выходные вольт-амперные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и с общей базой. Пробой транзистора. Смыкание коллекторного и эмиттерного переходов. Вторичный пробой.
Зависимость основных параметров транзисторов от температуры и режима смещения по постоянному току.
Схема малосигнальных параметров транзисторов. Физическая эквивалентная схема транзистора.
Низкочастотные параметры транзисторов, включенных по схемам с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором: ki, ku, kp, rвх, rвых.
Отклонение от модели Эберса-Молла по току и напряжению: эффект Кирка, вытеснение тока эмиттера на край эмиттера, эффект Эрли и его следствия.
Переходные процессы и импульсные свойства транзистора. Анализ переходных процессов в транзисторе с общей базой и общим эмиттером. Частотные свойства транзистора. Характеристические частоты транзистора. Методы повышения величины частоты отсечки.
Литература
Основная
[1, c. 326-361, 378-401; 2, c. 50-90]
Дополнительная
[1, c. 113-165; 2, c. 142-198; 3, c. 162-200]
Методические указания
Изучение биполярного транзистора целесообразно начать с ознакомления упрощенной (одномерной) его структуры. Вспомните, что такое эмиттер, база, коллектор, нормальное и инверсное включения транзистора.
Принцип действия биполярного транзистора рассмотрите на примере одномерной модели транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). Затем ознакомьтесь с двумя другими схемами включения транзистора – с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Обратите внимание на величины коэффициентов передачи по току и напряжению.
Рассмотрите возможные стационарные потоки свободных носителей заряда в транзисторе. Определите составляющие базового тока и обратного тока коллектора. Обратите внимание на их знаки.
Ознакомьтесь с основными статистическими параметрами транзистора, работающего в трех режимах: активном, насыщения и отсечки. Сравните коэффициенты инжекции для нормального и инверсного включения транзистора, коэффициент переноса носителей через базу.
Изучая низкочастотные параметры транзисторов, обратите внимание на соотношения величин коэффициентов усиления по мощности схем ОБ и ОЭ, а также на величины входного и выходного сопротивлений схемы ОК.
Изучая входные и выходные характеристики транзисторов, включенных по схемам ОБ и ОЭ, обратите внимание на следующее: внешний вид, смещение кривых влево и вправо на входных характеристиках, особенности выходных характеристик (наличие кривых в другом квадранте, наклон характеристик). При рассмотрении явления пробоя транзистора обратите внимание на такие параметры, как напряжение пробоя в схеме ОЭ при отключенной базе, коэффициент передачи тока эмиттера с учетом лавинного умножения носителей в коллекторном переходе, напряжение смыкания.
Объясните характер зависимостей коэффициента передачи тока базы и обратного тока коллектора от температуры.
Рассмотрите причины зависимости коэффициента передачи тока эмиттера (базы) от величины тока эмиттера. Объясните, как влияют величины тока и сопротивления базы на эффект оттеснения тока эмиттера на край эмиттера. Обратите внимание на два следствия эффекта Эрли. Свяжите этот эффект с видом входных и выходных характеристик транзистора.
Изучение частотных свойств транзистора начните с рассмотрения физических факторов, ограничивающих верхний частотный предел работы транзистора. Дайте определения предельной и граничной частот усиления по току, максимальной частоте генерации, при этом обратите внимание на пути их повышения.
Ознакомьтесь с основными параметрами, характеризующими импульсные свойства транзистора, и особенностями временных зависимостей тока эмиттера (базы) и тока коллектора при включении транзистора по схеме с общей базой и с общим эмиттером.
Вопросы и задания для самопроверки
Тема 5: Полевые транзисторы
Общие сведения: области транзистора и их определения, разновидности, принципы модуляций сопротивления канала, сравнение с биполярными транзисторами.
Полевой транзистор с управляющим р-n переходом: принцип действия, статические ВАХ и их аналитические выражения, физическая эквивалентная схема и частотные свойства.
Идеальный конденсатор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Энергетические зонные диаграммы идеальных и реальных МДП (МОП)-структур. Поверхностные состояния в системе Si-SiO2. Энергетические зонные диаграммы, поясняющие образование канала в р-канальных МОП-транзисторах, работающих в режиме обогащения (индуцированный канал). Аналитическое выражение для величины порогового напряжения и пути ее регулирования. Статические выходные и проходные (сток-затворные) характеристики. Аналитические выражения ВАХ для крутой и пологой частей выходной статической характеристики. Статические и дифференциальные параметры МОП-транзистора.
Физические эквивалентные схемы. Аналитические выражения для граничной частоты (частоты отсечки). Эффекты короткого канала. Анализ влияния эффектов короткого канала на величины основных параметров транзистора.
МОП-транзисторы, работающие в режиме обеднения (со встроенным каналом): структура, принцип работы, статические выходные и переходные характеристики.
Приборы с зарядовой связью: принцип работы, управление, ввод и вывод информации, частотные ограничения.
Литература
Основная
[1, c. 450-497, 503-527; 2, c. 95-136].
Дополнительная
[1, c. 29-108; 3, c. 209-219, 224-254].
Методические указания
Изучение темы «Полевые транзисторы» начните с рассмотрения разновидностей (канальные и МОП-транзисторы) и типов (n- и р-канальные) полевых транзисторов и принципов модуляции сопротивления канала.
Рассмотрение полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом следует начать с повторения зависимости ширины обедненной области р-n перехода от величины и полярности приложенного к нему внешнего напряжения. При изучении выходной характеристики обратите внимание на три характерные области: крутую, пологую и область пробоя. Рассматривая переходную характеристику транзистора, обратите внимание на то, что кривые располагается в одном квадранте. Дайте определение напряжения отсечки. Ознакомьтесь с эквивалентной схемой и частотными свойствами.
Изучение принципа работы полевого транзистора с изолированным затвором (МДП-транзистор) следует начать с рассмотрения идеального МДП-конденсатора. Ознакомьтесь с энергетическими зонными диаграммами идеальных МДП-структур. Уясните, к каким изменениям в энергетических зонных диаграммах приводит наличие поверхностных состояний и разности работы выхода металл-полупроводник. Ознакомьтесь с классификацией поверхностных состояний и зарядов.
Рассмотрите изменение сопротивления приконтактного (с диэлектриком) слоя полупроводника в зависимости от величины и полярности приложенного к такому диоду внешнего напряжения. Уясните особенности работы полевых транзисторов с индуцированным и встроенным каналами. Ознакомьтесь с выходной и проходной вольт-амперными характеристиками, параметрами МДП-транзисторов, понятием "пороговое напряжение" и рассмотрите возможные пути регулирования его величины. Рассмотрите эквивалентные схемы и частотные свойства МДП-транзисторов и укажите пути увеличения частотного диапазона их работы.
Рассмотрение эффектов короткого канала начните с определения понятия «короткоканальности» транзистора. Обратите внимание на зависимость величины порогового напряжения как от близости ОПЗ стока и истока, так и от эффекта «горячих» электронов в n- и р-канальных транзисторах.
Вопросы и задания для самопроверки
Тема 6: Свойства полупроводников при высоких концентрациях носителей тока
Амбиполярная диффузия и коэффициент диффузии. Подвижности как функции концентрации примеси. Время жизни носителей при высоких уровнях инжекции. Влияние концентрации носителей на ширину запрещенной зоны в кремнии. Собственная концентрация носителей при высоких уровнях легирования.
Литература
Основная
[1, с. 22-29].
Методические указания
Изучение работы мощных полупроводниковых приборов необходимо начинать с выявления особенностей свойств полупроводников при высоких концентрациях носителей тока, что особенно характерно для мощных приборов.
При изучении этой темы необходимо выяснить воздействие высокой концентрации носителей тока на такие основные электрофизические параметры полупроводников, как подвижность, коэффициент диффузии и время жизни.
Необходимо уяснить, что высокий уровень легирования приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, это, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации собственных носителей заряда, в результате чего изменяются величины некоторых важных электрических параметров транзисторов.
Вопросы для самопроверки
Тема 7: Лавинный пробой. Пути увеличения напряжения пробоя.
Пробой планарного р-n перехода. Полевая обкладка. Диффузионное охранное кольцо. Эквипотенциальное кольцо и канальный ограничитель. Резистивная полевая обкладка. Полевое ограничительное кольцо.
Напряжение пробоя, коллектор база мощного биполярного транзистора. Температура перехода. Вторичный пробой. Защита от вторичного пробоя. Область надежной работы мощного биполярного транзистора.
Литература
Основная
[1, с. 29-50, 135-153].
Дополнительная
[5, с. 32-41].
Методические указания
В мощных кремниевых транзисторных структурах лавинный пробой и последующий тепловой часто являются причинами неустойчивой работы приборов.
Начинать эту тему нужно с повторения физики лавинного пробоя, известного из дисциплины «Физика активных элементов интегральных схем». Далее необходимо уяснить отличия пробоя планарного одномерного перехода от реального (сферического и цилиндрического).
Рассматривая способы увеличения напряжения пробоя (полевая обкладка, диффузионное охранное кольцо и т.д.), необходимо понять влияние заряда поверхностных состояний и толщины оксида на протекание тока, как на поверхности, так и в объеме полупроводника.
Необходимо уяснить, что температура р-n перехода связана с рассеиванием мощности в транзисторе и, следовательно, с тепловым сопротивлением переход – корпус и корпус – радиатор. Обратить внимание на причины, приводящие к появлению вторичного пробоя. Изучая вопросы, связанные со способами защиты от вторичного пробоя, уделить внимание особенностям защиты в транзисторах с гребенчатой структурой.
Вопросы для самопроверки
Тема 8: Мощные биполярные и полевые транзисторы
Структура мощных биполярных транзисторов. Зависимость эффективности эмиттера от концентрации примеси в нем. Эффект Кирка в n+-р--n+- и
n+-р-n+-транзисторных структурах. Падение коэффициента усиления по току при больших плотностях тока. Методы увеличения коэффициента усиления по току.
Область квазинасыщения ВАХ мощных биполярных транзисторов. Частотная характеристика мощного биполярного транзистора.
Мощный полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода с V-образной канавкой. МОП-транзистор как усилитель мощности и ключевой элемент. Геометрия мощного МОП-транзистора. Влияние температуры на характеристики МОП-транзистора.
Литература
Основная
[1, с. 74-77, 98-129, 172-177, 208-220, 234-238].
Методические указания
Начинать изучение этой темы необходимо с повторения понятий «коэффициент усиления по току» и «эффективность эмиттера», с которыми вы встречались при изучении дисциплины «Физика активных элементов интегральных схем». Поскольку при высоких концентрациях примеси в эмиттере изменяется ширина запрещенной зоны, и, следовательно, увеличивается ni, то постарайтесь уяснить, что увеличение отношения NdЭ/NаБ не приводит к однозначному увеличению и .
Эффект расширения нейтральной ширины базы при больших плотностях тока (эффект Кирка) рассматривайте на транзисторной структуре n+-p--n+.
Обратите внимание на то, что при расчете величины fт для мощных биполярных транзисторов необходимо учитывать приращение электронейтральной базы и пользоваться коэффициентом 4 при расчете э . Проанализируйте методы увеличения , обращая особое внимание на использование схемы Дарлингтона и транзистора с широкозонным эмиттером.
Рассмотрите возможные геометрии мощных полевых транзисторов, обращая внимание на то, как решены вопросы повышения величины тока и напряжения пробоя.
Вопросы для самопроверки
Тема 9: СВЧ-полупроводниковые диоды
Принцип действия и аналитическое выражение для ВАХ диода Шоттки. Частотные ограничения диода Шоттки. Диод Шоттки в ИС. Параметрический диод: принцип действия, параметры и их зависимость от частоты.
Конструкции лавинно-пролетных диодов (ЛПД). Статические и динамические параметры ЛПД.
Энергетические зонные диаграммы, поясняющие работу туннельного диода. Зависимость туннельного тока от температуры. Частотные свойства туннельного диода. Обращенные диоды.
Литература
Основная
[2, c. 94-121, 150-203].
Дополнительная
[2, c. 91-137; 171-180; 3, c. 10-35; 4, c. 102-116].
Методические указания
Начиная изучение этой темы, необходимо уяснить, что принцип действия всех рассматриваемых СВЧ-диодов основан на физических процессах, происходящих в р-n переходах или в ОПЗ контакта металл полупроводник.
Анализируя энергетическую зонную диаграмму диода Шоттки, показать, что он может работать в СВЧ-диапазоне. Определить, чем вызваны частотные ограничения диода Шоттки и его использование в ТТЛШ.
Уяснить принцип работы параметрического диода (варикапа), и обратить внимание на зависимость его добротности от частоты.
ВАХ туннельного диода удобно объяснять для температуры Т = 0 К. Используя участок отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) на прямой ветви ВАХ, показать, как осуществляется усиление в туннельном диоде.
Уяснить из-за чего возникает участок ОДС на ВАХ лавинно-пролетного диода, и проанализировать его шумовые и мощностные параметры.
Вопросы для самопроверки
Тема 10: Мощные СВЧ-транзисторы
Параметры и физическая эквивалентная схема мощного биполярного СВЧ-транзистора. Электрофизические характеристики различных областей транзисторной биполярной структуры. Разновидности структур мощных биполярных СВЧ-транзисторов. Тепловые параметры мощных биполярных СВЧ-транзисторов. Проектирование активных областей мощных биполярных СВЧ-транзисторов.
Физическая эквивалентная схема мощного СВЧ МОП-транзистора в режиме малого сигнала. Общий подход к выбору конструкции и проектированию топологии структуры мощного кремниевого СВЧ МДП-транзистора.
Литература
Дополнительная
[1, c. 5-11, 61-88, 119-139; 5, c. 6-41].
Методические указания
Обратить внимание на то, что в физической эквивалентной схеме биполярного СВЧ-транзистора необходимо учитывать индуктивности выводов и емкости контактных площадок. При анализе различных структур мощных биполярных СВЧ-транзисторов особое внимание уделить проблемам борьбы с эффектом оттеснения тока эмиттера на край эмиттера и снижением паразитных емкостей.
Обратить внимание на теплоотвод и тепловое сопротивление в мощных СВЧ-транзисторах. Расчет активных областей целесообразно начать с анализа задаваемых мощностных и геометрических параметров, определяющих частотный диапазон работы прибора.
При анализе физической эквивалентной схемы мощного МДП-транзистора отметить элементы, введенные в известную схему маломощного НЧ МДП-транзистора. Проанализировать приближенный расчет мощных СВЧ МДП-транзисторов.
Вопросы для самопроверки
Тема 11: Полевые транзисторы с затвором Шоттки
Аналитическое выражение вольт-амперной характеристики полевого транзистора с затвором Шоттки. Выходная характеристика прибора. Физическая эквивалентная схема прибора. Частотные свойства.
Литература
Основная
[2, c. 336-368].
Дополнительная
[7, c. 96-101].
Методические указания
Изучение этой темы начните с анализа принципа усиления в полевых канальных транзисторах (КТ). Уясните определение «нормально открытый полевой КТ» и «нормально закрытый полевой КТ». Проанализируйте условия, при которых выводится аналитическое выражение ВАХ полевого КТ. Объясните выходную ВАХ n-канального полевого КТ с затвором Шоттки. Уясните причины, определяющие частотные свойства полевых КТ с затвором Шоттки.
Вопросы для самопроверки
Контрольные задания
Каждый студент выполняет вариант контрольного задания, номер которого соответствует порядковому номеру фамилии студента в зачётной книжке, например: 983121-05 – вариант №5; 983121-26 – вариант №26.
Номера вопросов (1ая-цифра) и задач (2ая-цифра), составляющих контрольное задание для каждого варианта, указаны в таблице.
Номера вопросов с 1 по 30 присвоены студентам первой по нумерации учебной группе, а вопросы с 31 по 60 - второй.
Студенты третьей по нумерации учебной группы выполняют контрольные задания, включающие в себя номера вопросов с 1 по 30, а номера задач с 31 по 60. Студенты четвертой по нумерации учебной группы выполняют контрольные задания, включающие в себя номера вопросов с 31 по 60, а номера задач с 1 по 30.
Таблица 1-Распределение контрольных заданий для первой по нумерации учебной группы
|
Номер варианта |
Номера вопросов и задач |
Номер варианта |
Номера вопросов и задач |
Номер варианта |
Номера вопросов и задач |
|
1 |
1, 1 |
2 |
2,2 |
3 |
3,3 |
|
4 |
4, 4 |
5 |
5,5 |
и т.д. |
|
|
Таблица 2 – Распределение контрольных заданий для второй по нумерации учебной группы |
|||||
|
1 |
31, 31 |
2 |
32, 32 |
3 |
33, 33 |
|
4 |
34, 34 |
5 |
35, 35 |
и т.д. |
|
|
Таблица 3 – Распределение контрольных заданий для третьей по нумерации учебной группы |
|||||
|
1 |
1,31 |
2 |
2, 32 |
3 |
3,33 |
|
4 |
4,34 |
5 |
5, 35 |
и т.д. |
|
|
Таблица 4 – Распределение контрольных заданий для четвертой по нумерации учебной группы |
|||||
|
1 |
31,1 |
2 |
32,2 |
3 |
3,33 |
|
4 |
34,4 |
5 |
35,5 |
и т.д. |
Контрольные вопросы
31. Как объяснить график зависимости величины концентрации свободных
носителей заряда от обратной температуры?
32. Что такое эффект Холла?
33. Как связаны между собой параметры “подвижность” и “ рассеяние”
свободных носителей заряда?
34. Что такое дрейф и диффузия носителей заряда?
35. Что такое уровень Ферми?
36. Из каких соображений твёрдые тела подразделяются на металлы,
диэлектрики и полупроводники?
37. Что такое туннельный эффект?
38. Каким образом на пластине собственного кремния можно получить n- или p-
полупроводник?
39. Что такое индексы Миллера?
40. Какие основные уравнения используются для анализа работы
полупроводниковых приборов?
41. Почему в биполярных транзисторах с широкозонным эмиттером можно
получить большую величину коэффициента инжекции эмиттера при
одинаковой концентрации примесей в эмиттере и базе?
42. Как измениться величина потенциального барьера p-n перехода при
изменении температуры и типа полупроводника? Почему?
43. Как и какими путями возникают токи генерации и рекомбинации при
обратном и прямом смещениях p-n перехода?
44. Зависит ли величина τвост. от величины прямого тока, протекающего через p-
n переход? Почему?
45. Как объяснить зависимость величины коэффициента передачи тока
эмиттера от величины тока эмиттера (коллектора)?
46 Можно ли считать биполярный транзистор обратимым прибором? Если нет,
то почему?
47. Почему Uкэо намного меньше Uкбо?
48. Почему использование диода Шоттки в ТТЛ ИС намного уменьшает время
задержки на вентиль?
49. Почему гребенчатая структура топологии эффективна в мощных
биполярных структурах?
50. От чего зависит величина напряжения смыкания биполярного транзистора?
51. От каких геометрических и электрофизических параметров МОП-транзистора
зависит величина напряжения сквозного обеднения?
52. Как изменяет величину порогового напряжения короткоканального МОП-
транзистора эффект горячих электронов?
53. Что такое «эффект Кирка», и как он влияет на параметры n+-p--n+
транзистора?
54. Что такое «эффект Кирка», и как он влияет на параметры n+-p-n+
транзистора?
55. Как зависит добротность варикапа от частоты?
56. Почему при использовании структуры overlay в мощных биполярных
транзисторах к эмиттерным полоскам подключают поликремниевые
резисторы?
57. Для чего в стоковую область мощных МОП-транзисторов вводится n-область?
58. Почему гребенчатая структура неэффективна в СВЧ-транзисторах? Какие
структуры применяют в этом диапазоне?
59. Какими способами можно повысить коэффициент усиления по току в мощных
транзисторах?
60. Какими способами можно повысить напряжение лавинного пробоя p-n
перехода?
Справочные данные
Таблица 1 – Основные полупроводниковые материалы и их параметры
|
№ п/п |
Параметр |
Единицы измерения |
Полупроводники |
||
|
Si |
Ge |
GaAs |
|||
|
1 |
Заряд ядра |
- |
14,32 |
- |
- |
|
2 |
Атомная масса |
- |
28,08 |
72,6 |
- |
|
3 |
Количество атомов в 1 см3 |
см-3 |
5,0*1022 |
4,42*1022 |
- |
|
4 |
Плотность (ρ) |
г/см3 |
2,35 |
5,23 |
- |
|
5 |
Диэлектрическая проницаемость |
- |
11,8 |
16 |
11 |
|
6 |
Эффективная масса (Т=300К) электрона Дырок |
Отн. Ед. |
0,33 0,55 |
0,22 0,39 |
0,07 0,3 |
|
7 |
Ширина запрещенной зоны |
эВ |
1,11 |
0,67 |
1,42 |
|
8 |
Эффективная плотность состояний Nc – в зоне проводимости Nv – валентной зоне |
см-3 |
2,8*1019 1,02*1019 |
1,4*1019 0,61*1019 |
- - |
|
9 |
Собственная концентрация свободных носителей заряда ni |
см-3 |
1,6*1010 |
2,5*1013 |
1,5*106 |
|
10 |
Дрейфовая подвижность основных носителей электронов (μn) дырок (μp) |
см2/В*с |
1400 500 |
3800 1800 |
11000 450 |
|
11 |
Собственное удельное сопротивление (ρi) |
Ом*см |
2*105 |
60 |
4*108 |
|
12 |
Коэффициент диффузии Электронов Дырок |
см2/с |
36 13 |
100 45 |
290 12 |
|
13 |
Максимальная дрейфовая скорость Электронов (νn max) Дырок (νp min) |
см/с |
10*106 8*106 |
6,5*106 6*106 |
- - |
|
14 |
Критическая напряженность электрического поля ПП-ка n – типа p – типа |
В/см |
2500 7500 |
200 400 |
- - |
|
15 |
Коэффициент теплопроводности (λ) |
Вт/см*0С |
1,2 |
0,5 |
- |
Таблица 1а - Основные физические константы теории полупроводников
|
№ п/п |
Наименование |
Единицы измерения |
Значение |
|
1 |
Элементарный заряд |
Кл |
1,6 ∙ 10-19 |
|
2 |
Масса свободного электрона |
кг |
9,11 ∙ 10-31 |
|
3 |
Постоянная Планка |
Дж ∙ с |
6,6 ∙ 10-34 |
|
4 |
Постоянная Больцмана |
Дж/oС |
1,37 ∙ 10-23 |
|
5 |
Диэлектрическая проницаемость вакуума (εe)( ε = 12) |
Ф/см |
8,85 ∙ 10-14 |
|
6 |
Магнитная проницаемость вакуума |
Гн/см |
1,25 ∙ 10-8 |
|
7 |
Температурный потенциал Φт при 300К |
В (φт = КТ/q ) B |
T/11600 25 мВ = 0,025В |
Условия и алгоритмы решения задач
1. Условие задач, имеющих номера 1 - 10
Рассчитать контактную разность потенциалов и барьерную ёмкость резкого p-n перехода с площадью S=10-3 см2 и следующими параметрами:
Таблица 2 – Данные к задачам
|
Материал |
Приложенное напряжение,В |
Темпера- тура, К |
Концентрация легирующей примеси в p-области Na, см-3 |
Концентрация легирующей примеси в n-области Nd, см-3 |
Вари-ант |
|
Кремний |
0 |
300 |
1018 |
1016 |
1 |
|
Арсенид галлия |
0 |
200 |
1018 |
1016 |
2 |
|
Германий |
0 |
300 |
1017 |
1016 |
3 |
|
Кремний |
-2 |
200 |
1017 |
1017 |
4 |
|
Арсенид галлия |
-2 |
300 |
1018 |
1016 |
5 |
|
Германий |
-1 |
400 |
1018 |
1016 |
6 |
|
Кремний |
-5 |
400 |
1019 |
1017 |
7 |
|
Арсенид галлия |
0,02 |
300 |
1018 |
1018 |
8 |
|
Германий |
0,02 |
200 |
1017 |
1018 |
9 |
|
Кремний |
0,02 |
400 |
1016 |
1018 |
10 |
Алгоритм решения задач
Начните решение с конечных аналитических выражений для двух искомых величин:
Контактная разность потенциалов:
φк=kT/q*ln (Na*Nd /ni2) [В];
Ширина ОПЗ p-n перехода:
Xd=[2εε0*( φк-U)( Na+ Nd)/ q Na Nd]1/2 [мкм];
где Na и Nd – концентрация легирующей примеси в p- и n-области соответственно.
Если Nа»Nd (или Nd»Na), то
Xd=[2εε0*( φк-U)/ q NБ]1/2;
где NБ – концентрация легирующей примеси в слаболегированной области, p-n перехода;
Барьерная ёмкость p-n перехода:
Cбар=S*2εε0/ Xd [пФ];
Где S – площадь p–n перехода.
Величины ni, ε, ε0, k и q взять из таблицы 1 и 2.
Помнить, что величина напряжения, прилаженного к p-n переходу, подставляется в формулу с учётом знака: прямое смещение – знак «плюс», обратное смещение – знак «минус».
2. Условие задач, имеющих номера 11 - 19
Рассчитать диффузионную ёмкость p-n перехода с площадью S=10-3 см2 и со следующими параметрами:
Таблица 3 – Данные к задачам
|
Материал |
Концентрация легирующей примеси в n-области Nd, см-3 |
Концентрация легирующей примеси в p-области Nа, см-3 |
Приложенное прямое напряжение U, В |
Ширина n-области, мкм |
Ширина p-области, мкм |
Время жизни электронов τn, c |
Время жизни дырок τp, c |
Темпера-тура, K |
Вариант |
|
Кремний |
1018 |
1016 |
0,61 |
1 |
1 |
10-7 |
10-6 |
300 |
11 |
|
Германий |
1018 |
1016 |
0, 3 |
1 |
1 |
10-7 |
10-6 |
300 |
12 |
|
Кремний |
1016 |
1017 |
0, 63 |
2 |
2 |
10-7 |
10-6 |
400 |
13 |
|
Кремний |
1019 |
1016 |
0, 42 |
1 |
0,5 |
10-8 |
10-6 |
300 |
14 |
|
Арсенид галлия |
1018 |
1016 |
0, 8 |
1 |
1 |
300 |
15 |
||
|
Кремний |
1017 |
1016 |
0, 65 |
1 |
1 |
10-7 |
10-6 |
400 |
16 |
|
Арсенид галлия |
1017 |
1018 |
0,82 |
1 |
1 |
300 |
17 |
||
|
Кремний |
1017 |
1016 |
0, 68 |
1 |
0,5 |
10-7 |
10-6 |
300 |
18 |
|
Арсенид галлия |
1016 |
1016 |
0, 83 |
1 |
1 |
19 |
|||
|
Кремний |
1016 |
1018 |
0, 65 |
1,5 |
1 |
10-7 |
10-6 |
300 |
20 |
Алгоритм решения задач
Аналитическое выражение для величин диффузионных емкостей:
Сдиф=(kT/q)*I*τn , (1)
где Сдиф – величина диффузионной ёмкости p-n перехода (диода) с широкой
базой (WБ > Lp), пФ;
Индексы “n” и “p” у времён жизни и у диффузионных длин обозначают тип неосновных носителей заряда в базе. База – наиболее слаболегированная область p-n перехода.
Сдиф=(kT/q)*I*tпр, (2)
где Сдиф – величина диффузионной ёмкости p-n перехода (диода) с тонкой
базой (WБ < Lp), пФ;
tпр=W2Б/2 Dn или tпр=W2Б/2Dp;
Индекс у коэффициента диффузии (D) обозначает тип неосновных носителей в базе.
I=Is (exp qU/kT – 1); (3)
где U – приложенное к p-n переходу напряжение, В;
IS=ISp+ ISn;
ISp= S*( q*n2i*Dp/Nd(Wp или Ln)) и ISn= S*( q* n2i *Dn/Na(Wp или Ln));
В знаменатели выражений для токов насыщения подставляется Wp и Wn, когда Wp<Ln, а Wn < Lp, и Ln и Lp, когда Wp > Ln, а Wn > Lp.
Dp=µр*( kT/q); Dn=µn*( kT/q); µ=µ0/[ 1+ ( N/1017)1/2]
где µ0 – подвижность в собственном полупроводнике при 300 К;
N- концентрация легирующей примеси;
Величины k, q – брать из таблицы 1.
Величины µ0, ni – брать из таблицы 2.
Чтобы решить, какое выражение для величины Сдиф. (1) или (2) использовать, нужно определить соотношение между L и WБ, L=√Dτ.
3. Условие задач, имеющих номера с 21 по 27
Рассчитать величины токов инжекции, генерации и рекомбинации p-n перехода (диода) площадью 10-3 см2 и со следующими параметрами:
Таблица 4 – Данные к задачам
|
Материал |
Концентрация легирующей примеси |
Время жизни неосновных носителей |
Ширина базы WБ, мкм |
Ширина эмиттера WЭ, мкм |
Приложенное напряжение U, В |
Темпера-тура, K |
Вариант |
||
|
в n-области Nd, см-3 |
в р-области Nа, см-3 |
τn,с |
τp,с |
||||||
|
Кремний |
1018 |
1016 |
5*10-6 |
10-6 |
1 |
2 |
0,2 |
300 |
21 |
|
Германий |
1018 |
1016 |
5*10-6 |
10-6 |
1 |
2 |
0,2 |
300 |
22 |
|
Арсенид галлия |
1018 |
1016 |
5*10-6 |
10-6 |
1 |
2 |
0,2 |
300 |
23 |
|
Кремний |
1016 |
1018 |
10-6 |
10-5 |
10 |
2 |
0,5 |
300 |
24 |
|
Арсенид галлия |
1016 |
1018 |
2*10-6 |
3*10-5 |
10 |
2 |
0,5 |
300 |
25 |
|
Кремний |
1017 |
1016 |
10-6 |
10-5 |
1 |
2 |
0,3 |
400 |
26 |
|
Германий |
1016 |
1017 |
10-6 |
10-5 |
1 |
2 |
0,3 |
400 |
27 |
Алгоритм решения задачи
Записывайте выражения для расчетов токов Iин, генерации Iген и рекомбинации Iрек.
Iин=Is (exp qU/kT – 1); Iген=S*(q*ni*Xd/2τ0); Iрек=S*(q*ni*Xd/2τ0)*exp qU/2kT;
Токи насыщения ISp и ISn, находите по выражениям, приведённым в концепции вариантов № 11-20.
Ширины запрещённых зон находите по выражениям, приведённым в концепции вариантов № 1-10.
Время жизни свободных носителей в обеднённой области p-n перехода τ0 определяется как τ0= (τn+ τp)/2.
4.Условие задач, имеющих номера с 28 по 36
Рассчитать коэффициент передачи постоянных токов эмиттера αN, базы βN, коллектора αI идеализированной модели биполярного n-p-n транзистора.
|
Материал |
Темпера-тура, K |
Ширина, мкм |
Концентрация легирующей примеси, см-3 |
Время жизни электронов в базе τn,с |
Вариант |
||||
|
Эмиттера WЭ, мкм |
Коллектора WК, мкм |
Базы WБ, мкм |
В эмиттере Ndэ |
В базе NdБ |
В коллекторе Ndк |
||||
|
Кремний |
400 |
2 |
4 |
1 |
1018 |
1016 |
1016 |
10-6 |
28 |
|
Германий |
300 |
2 |
4 |
1 |
1018 |
1016 |
1016 |
5*10-7 |
29 |
|
Арсенид галлия |
400 |
2 |
4 |
1 |
1018 |
1016 |
1016 |
10-6 |
30 |
|
Кремний |
300 |
2 |
2 |
1 |
1018 |
1017 |
1016 |
10-6 |
31 |
|
Кремний |
200 |
2 |
2 |
0,5 |
1018 |
1016 |
1017 |
10-6 |
32 |
|
Германий |
300 |
2 |
2 |
1 |
1018 |
1016 |
1017 |
5*10-6 |
33 |
|
Арсенид галлия |
400 |
2 |
2 |
0,5 |
1018 |
1017 |
1016 |
10-6 |
34 |
|
Кремний |
300 |
2 |
3 |
0,3 |
1018 |
1017 |
1016 |
10-6 |
35 |
|
Арсенид галлия |
300 |
2 |
3 |
0,3 |
1018 |
1017 |
1018 |
10-6 |
36 |
Алгоритм решения задач
Коэффициент передачи постоянного тока эмиттера:
αN=Iэn/Iэ* Iкn/Iэn* Iкn / Ik=γN * αT * M;
где М=1;
γN – коэффициент инжекции при нормальном включении транзистора
γN= Iэn/( Iэn+ Iэp)=1/(1+ Iэp/ Iэn)=[1+(WБ*NАБ*Dpэ/ WЭ*Ndэ*DnБ)]-1;
где коэффициенты диффузии дырок в эмиттере Dpэ и электронов в базе DnБ
определяются из соотношения Эйнштейна. D=*( kT/q).
В свою очередь величина подвижности носителей заряда в зависимости от концентрации примесей определяется выражением:
µ=µ0/[ 1+ ( N/1017)1/2],
где µ0 - подвижность в собственном полупроводнике при 300 K;
N- концентрация легирующей примеси;
Выражение для коэффициента переноса носителей через базу αN можно записать как:
αT = 1- (WБ2/2(4)* DnБ* τn);
в котором коэффициент 2 подставляем в выражение αT для бездрейфового транзистора, а 4- для дрейфового. Будем полагать, что варианты 28-31 – бездрейфовый транзистор, а варианты 32-36 дрейфовый транзистор.
Коэффициент усиления тока базы βN рассчитываем по формуле
ΒN= αN/(1- αN);
Коэффициент передачи тока коллектора (инверсное включение транзистора) рассчитываем по формуле:
αI=γI* αT;
где γI=( 1+(WБ*NАБ*Dpk/ WК*Ndk*DnБ))-1;
где Dpk – коэффициент диффузии дырок в коллекторе.
αT = 1- (WБ2/2* DnБ* τn), т.е. считаем, что электрическое поле в базе отсутствует ( хотя оно будет тормозящим).
5. Условие задач, имеющих номера с 37 по 50
Рассчитать величину порогового напряжения Uпор и частоту отсечки кремниевых МОП – транзисторов со следующими параметрами
|
Тип канала n или p |
Тип затво-ра |
Толщина подзатвор-ного диэлектрика d, нм |
Концентрация примеси в подложке Nn, см-3 |
Плотность поверхност-ных состояний Nnс, см-2 |
Длина канала L, мкм |
Напря-жение на затворе, Uзи |
Эффективная подвижность носителей в канале µ, см2\В*с |
Темпера-тура, К |
Вариант |
|
n |
AL |
70 |
1015 |
1010 |
3 |
Uзи=2Uпор |
500 |
300 |
37 |
|
p |
AL |
70 |
1015 |
1010 |
2 |
Uзи=2Uпор |
200 |
300 |
38 |
|
n |
n-поли-кремний |
70 |
1015 |
1010 |
3 |
Uзи=2Uпор |
500 |
300 |
39 |
|
p |
n-поли-кремний |
50 |
1015 |
1010 |
4,5 |
Uзи=2Uпор |
200 |
300 |
40 |
|
n |
p-поли-кремний |
50 |
5*1015 |
1010 |
1,5 |
Uзи=2Uпор |
500 |
300 |
41 |
|
p |
p-поли-кремний |
60 |
1015 |
1010 |
2 |
Uзи=2Uпор |
220 |
300 |
42 |
|
n |
AL |
50 |
5*1015 |
1010 |
4,5 |
Uзи=3Uпор |
500 |
300 |
43 |
|
p |
AL |
50 |
5*1015 |
5*1010 |
2 |
Uзи=2Uпор |
200 |
300 |
44 |
|
n |
n-поли-кремний |
40 |
5*1015 |
1010 |
1,5 |
Uзи=2Uпор |
500 |
300 |
45 |
|
p |
p-поли-кремний |
40 |
1016 |
5*1010 |
2 |
Uзи=2Uпор |
220 |
300 |
46 |
|
n |
p-поли-кремний |
40 |
5*1015 |
1010 |
5 |
Uзи=2Uпор |
500 |
400 |
47 |
|
p |
n-поли-кремний |
40 |
1016 |
1010 |
4 |
Uзи=2Uпор |
200 |
400 |
48 |
|
n |
AL |
50 |
1015 |
1010 |
4 |
Uзи=2Uпор |
500 |
400 |
49 |
|
p |
AL |
40 |
1015 |
1010 |
4 |
Uзи=2Uпор |
200 |
400 |
50 |
Алгоритм решения задач
Решение задач следует начать с записи конечного выражения для искомых величин, затем находить частные величины, входящие в окончательную величину.
Uпор=φмп-Qпс/С0± Qос/С0± Qк/С0,
где φмп – разность работ выхода металл затвора - полупроводник (в вольтах);
Qпс – удельный заряд плотности поверхностных состояний;
Qос – удельный заряд обеднённого слоя;
Qк – удельный заряд, необходимый для образования канала;
С0 – удельная ёмкость затвора
Для алюминиевого затвора: φмп=-0,6 ±φF.
Для поликремниевого затвора n+ - типа: φмп= - φg /2±φF.
Для поликремниевого затвора p+ - типа: φмп= φg /2±φF.
Знак “-“ подставляется в выражение для определения φмп транзистора с p-подложкой, а знак “+“ подставляется для определения φмп транзистора с n-подложкой.
φF – разница энергий между уровнем Ферми и серединой запрещенной зоны.
φF=kT/q*ln Nп/ni;
φg – Ширина запрещенной зоны полупроводника в вольтах.
Знак «+» перед величинами правой части выражения для определения Uпор подставляется для n-канальных МОП-транзисторов, а знак «-» для p-канальных.
С0=εε0/d, Qпс=q*Nnc, Qк=2φF;
Qос=q*Nn*Xdэ; Xd =(2*εε0*2 φF / q*Nn)1/2,
где d - толщина подзатворного диэлектрика, Nnc – потность поверхностного состояния.
Частота отсечки fT определяется выражением:
fT=µэфф*( Uзи-Uпор)/2πL2;
После нахождения величины Uпор. Все параметры необходимые для вычисления fT известны.
Величины Eg(φg), q, k, ε0, εSi, εSiO2, µ0 взять из таблиц 1 и 2.
6. Условие задач, имеющих номера 51-60
Рассчитать минимальную длину lk и ширину Z канала n-канального кремниевого мощного СВЧ V-МОП транзистора, имеющего следующие параметры
|
Выходная мощность, Р1 Вт |
Подвижность носителей в канале µno, см2/В.с |
Плотность поверхностных состояний Nnc, См-2 |
Толщина подзатворного диэлектрика, d нм |
Тип затвора |
Концентрация примесей в подложке Na, см-3 |
Темпе- ратура τ, оС |
Напряже ние на затворе Uзи, В |
Максимальное напряжение сток - исток Uси max, В |
Вариант |
|
80 |
600 |
1010 |
50 |
AL |
5.1015 |
300 |
4 |
65 |
51 |
|
85 |
650 |
2.1010 |
60 |
n-поликремний |
1015 |
400 |
2 |
70 |
52 |
|
75 |
600 |
9.109 |
45 |
AL |
1015 |
300 |
3 |
65 |
53 |
|
80 |
650 |
1010 |
60 |
AL |
5.1015 |
350 |
2 |
70 |
54 |
|
75 |
600 |
1010 |
75 |
p-поликремний |
1015 |
250 |
3 |
75 |
55 |
|
85 |
620 |
1010 |
70 |
AL |
5.1015 |
400 |
4 |
65 |
56 |
|
80 |
600 |
1010 |
60 |
n-поликремний |
1015 |
350 |
3 |
75 |
57 |
|
75 |
600 |
1010 |
50 |
р-поликремний |
1015 |
300 |
3 |
70 |
58 |
|
80 |
600 |
1010 |
55 |
AL |
1015 |
350 |
4 |
65 |
59 |
|
85 |
600 |
1010 |
45 |
AL |
5.1015 |
300 |
3 |
70 |
60 |
Алгоритм решения задач
Минимальную длину канала lk (Uси пр.) найдем из условия сквозного обеднения
За величину Uси пр. принимаем величину Uси max .
Минимальную ширину канала находим из выражения:
. ,
где = 20 В; = 0,0534 В-1 - эмпирический коэффициент, характеризующий уменьшение подвижности под действием поперечного поля затвора; - коэффициент характеризующий влияние подложки р-типа на ток стока находим из следующего выражения
При заданном напряжении Uзи ток стока достигает своего максимального значения при напряжении насыщения
Разницу величин работы выхода материал затвора – кремний можно определить, пользуясь алгоритмом решения задач 37…50.