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 проекта 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 условные графические обозначения МДП-транзисторов.
В результате расчетов определены параметры и характеристики выпрямительного диода и МДП-транзистора. В соответствии с полученными результатами расчетов построены соответствующие графики.
Выпрямительный диод, нагрузка, p-n-переход, легирование, потенциальный барьер, уровень Ферми, запрещенная зона, зона проводимости, валентная зона, контактная разность потенциалов, диффузионный ток, транзистор, сток, исток, затвор, инжекция, экстракция, рекомбинация, лавинный пробой, туннельный пробой, тепловой пробой, подложка
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………5
1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ………………………………………….6
1.1 Структурные особенности полупроводникового диода…………….6
1.2 Прямое включение диода……………………………………………….6
1.3 Обратное включение диода…………………………………………….7
2 ТРАНЗИСТОРЫ МДП-ТИПА………………………………………………….9
2.1 Конструкция и принцип действия……………………………………9
2.2 Условные графические обозначения МОП – транзисторов…………10
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА.......................................................................11
3.1 Исходные данные…………………………………………………..11
3.2 Модель выпрямительного диода…………………………………….11
3.3 Расчет параметров и характеристик диода………………………14
4 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, а также биполярные и полевые транзисторы, которые используются в преобразовательных устройствах в качестве усилителей и вентилей. Широкое распространение получили полностью управляемые вентили — биполярные и полевые транзисторы, заменяющие диоды и тиристоры, особенно в устройствах 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].
1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1.1 Структурные особенности полупроводникового диода
Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества, уровня 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 высота потенциального барьера перехода уменьшается пропорционально приложенному к диоду напряжению. [2]
С уменьшением высоты потенциального барьера увеличивается количество носителей заряда, которые могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в соседнюю область диода, где они окажутся неосновными носителями. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей заряда через p-n-переход. Типичная ВАХ полупроводникового диода изображена на рисунке 1.2.
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 уменьшению граничной концентрации неосновных носителей заряда около p-n-перехода и дальнейшему расширению области пространственного заряда из-за увеличения потенциального барьера.[3]
Схема обратного включения диода показана на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 Обратное включение полупроводникового диода
2 ТРАНЗИСТОРЫ МДП-ТИПА
2.1 Конструкция и принцип действия
Типичная конструкция МДП-транзистора с индуцированным 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 — металлизация подложки.
Стоковая и истоковая р-области совместно с индуцированным р-каналом образуют выходную цепь МДП-транзистора. Управление выходной мощностью обеспечивается изменением напряжения на затворе: если напряжение на затворе станет более отрицательным, то сопротивление канала уменьшится и при заданном напряжении на стоке выходной ток увеличится.[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]
2.2 Условные графические обозначения МОП – транзисторов
Существуют различные графические обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа (рисунок 2.2 а, б) и с индуцированным каналом n-типа и p-типа (рисунок 2.3 а, б).
а) б)
Рисунок 2.2 Условные графические обозначения МОП – транзисторов с индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)
Рисунок 2.3 Условные графические обозначения МОП – транзисторов со встроенным каналом n-типа (а) и p-типа (б)
3 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 p+-n.
Исходные данные для расчетов: геометрия кристалла — параллелепипед с квадратным основанием А=1 см, толщина пластины h = 300 мкм, толщина базы wб=280 мкм, концентрация Nб=1014 см-3 примесных атомов в исходном кристалле; концентрация примесных атомов в эмиттерной области Nэ=1018 см-3; время жизни неравновесных носителей в исходном кремнии tб= 10 мкс; тепловое сопротивление корпуса диода RТ= 1,5 К/Вт.
3.2 Модель выпрямительного диода
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 p-n-перехода (Ip-n), сопротивление базы диода (Rб) и сопротивление утечки (Rу).
Рисунок 3.1 Модель Эберса - Молла полупроводникового диода
Тепловой потенциал φт , В:
j Т = КТ/q=1,38·10-23·300/1,6·10-19=0,026 (3.1)
где K — постоянная Больцмана;
T — абсолютная температура в кельвинах;
q — заряд электрона.
Коэффициент диффузии дырок в базе Dpб ,см2/с:
Dpб=∙φт=470∙0,026= 12,22 (3.2)
где =470 (см2/В*с) — подвижность дырок, которая определена по рисунку 3.2.
Рисунок 3.2 Зависимость подвижности электронов и дырок от концентрации примеси кремния при 300К
Тепловой ток диода Iдо, А :
(3.3)
где — концентрация собственных носителей в полупроводнике;
— площадь p-n перехода.
Контактная разность потенциалов φк, В:
(3.4)
Барьерная емкость диода Сб0, Ф:
(3.5)
Сопротивление базы диода Rб, Ом:
(3.6)
где — удельное сопротивление базы диода, определяем по рисунку 3.3 .
Рисунок 3.3 Зависимость удельного сопротивления германия и кремния от концентрации примеси при 300К
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:
(3.9)
где 0,7 - коэффициент запаса.
Толщина обедненного слоя l, см:
Генерационный ток перехода Iг, А
(3.10)
Коэффициент лавинного умножения М:
(3.11)
где n – эмпирическая константа, для n-Si n=5.
Обратный ток диода , А:
(3.12)
Диффузионная длина неравновесных носителей , cм:
(3.13)
Находим и :
(3.14)
(3.15)
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 условия 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 p-n переходом и внешней поверхностью корпуса и тепловым сопротивлением корпуса диода.
Равенство величин и дает уравнение
(3.16)
Определяем , Вт:
(3.17)
По ВАХ диода с помощью компьютера находим произведение , т.е. тепловую мощность. Данной точке прямой ВАХ диода удовлетворяют I =75,4 А ; U =0,99 В.
Падение напряжения диода для тока I :
(3.18)
Находим , A:
(3.19)
Определяем коэффициент :
(3.20)
Зависимость описывается соотношением, Ом:
(3.21)
Максимальная плотность тока p-n перехода , мА/см2:
(3.22)
Прямая ветвь ВАХ диода определяется с помощью соотношения:
, где , (3.23)
Результаты расчетов токов и напряжений оформлены в виде таблицы 3.1.
Таблица 3.1 Прямая ВАХ диода
Iд, мА
U p-n, В
U Rб, В
Uд, В
0
0,00
10
0,65
0,04
0,69
20
0,67
0,08
0,75
30
0,68
0,11
0,79
40
0,15
0,84
50
0,19
0,88
60
0,70
0,23
0,93
70
0,27
0,97
75,4
0,29
0,99
Рисунок 3.4 График зависимости Uд= f(Iд) для прямого напряжения на диоде
Обратную ветвь ВАХ рассчитаем с помощью соотношения:
, (3.24)
где
, (3.25)
Страницы: 1, 2