Розрахунок параметрів та характеристик напівпровідникового діода та транзистора МДП-типу
Розгляд структурних особливостей напівпровідникового діода Проведення розрахунків параметрів та характеристик випрямного діода (напруга проколу, лавинного пробою, генераційний струм, дифузна довжина нерівноважних носіїв) та МДП-транзистора.
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Міністерство освіти та науки України
Запорізька державна інженерна академія
Факультет електронної техніки та електронних технологій
Кафедра електронних систем
до курсового проекту
з дисципліни: Твердотільна електроніка
на тему: Розрахунок параметрів та характеристик напівпровідникового діода та транзистора МДП - типу
Студент групи ЕС – 2 – 04д С.В.
Керівник проекту Мовенко О.Д.
27 с., 17 малюнків, 8 таблиць, 6 посилань.
У курсовому проекті розглянуто структуру, основні елементи та вольтамперні характеристики напівпровідникових діодів, принцип дії, структуру та умовні графічні позначення МДП-транзисторів.
В результаті розрахунків визначено параметри та характеристики випрямного діода та МДП-транзистора. Відповідно до отриманих результатів розрахунків побудовано відповідні графіки.
Випрямний діод, навантаження, p-n-перехід, легування, потенційний бар'єр, рівень Фермі, заборонена зона, зона провідності, валентна зона, контактна різниця потенціалів, дифузійний струм, транзистор, стік, виток, затвор, інжекція, екстракція, рекомбінація, ла тунельний пробій, тепловий пробій, підкладка.
ЗМІСТ
1 НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ
1.1 Структурні особливості напівпровідникового діода
1.2 Пряме включення діода
1.3 Зворотне включення діода
2 ТРАНЗИСТОРИ МДП-ТИПУ
2.1 Конструкція та принцип дії
3 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК ВИПРЯМУВАЛЬНОГО ДІОДА
3.1 Вихідні дані
3.2 Модель випрямного діода
3.3 Розрахунок параметрів та характеристик діода
4 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК
Широке застосування напівпровідникових приладів пояснюється тим, що в порівнянні з електронними лампами вони мають незаперечні переваги, головними серед яких є малі габарити і вага, високий коефіцієнт корисної дії, майже необмежений термін служби, висока експлуатаційна надійність. Такі прилади здатні працювати при малих напругах живлення та на високих частотах.
Найбільш поширеними приладами в електроніці є випрямні діоди, напівпровідникові стабілітрони, тунельні, імпульсні та НВЧ діоди, а також біполярні та польові транзистори, які використовуються в перетворювальних пристроях як підсилювачі та вентилі. Широкого поширення набули повністю керовані вентилі - біполярні та польові транзистори, що замінюють діоди та тиристори, особливо в пристроях малої та середньої потужності.
Для того щоб конструювати електронні схеми та ефективно застосовувати напівпровідникові прилади потрібно знати принципи їхньої дії та основні параметри. Виклад цих фундаментальних уявлень є основним завданням твердотільної електроніки як науки та навчальної дисципліни [1].
1 НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ
1.1 Структурні особливості напівпровідникового діода
Напівпровідниковий діод називають нелінійний електронний прилад з двома висновками. Залежно відвнутрішньої структури, типу, кількості, рівня легування внутрішніх елементів діода характеристики напівпровідникових діодів бувають різними. Основу випрямного діода становить звичайний електронно-дірковий перехід (рис.1.1). Вольт-амперна характеристика такого діода має яскраво виражену нелінійність. У прямому зміщенні струм діода інжекційний, великий за величиною і є дифузійною компонентом струму основних носіїв. При зворотному зміщенні струм діода невеликий за величиною і є дрейфової компоненту струму неосновних носіїв. У стані рівноваги сумарний струм, зумовлений дифузійними та дрейфовими струмами електронів та дірок, дорівнює нулю.
Рис.1.1 Електронно-дірковий перехід
1.2 Пряме включення діода
При прямій напрузі на діоді зовнішня напруга частково компенсує контактну різницю потенціалів на p-n-переході, так як зовнішнє електричне поле при прямому включенні діода спрямоване протилежно дифузійного поля. Тому висота потенційного бар'єру переходу зменшується пропорційно доданому до діоду напруги. [2]
Зі зменшенням висоти потенційного бар'єру збільшується кількість носіїв заряду, які можуть подолати потенційний бар'єр і перейти до сусідньої області діода, де вони виявляться неосновними носіями. Цей процес називається інжекцією неосновних носіїв заряду через pn-перехід. Типова ВАХ напівпровідникового діода зображена малюнку 1.2.
Рис.1.2 ВАХ напівпровідникового діода
1.3 Зворотне включення діода
Зворотний струм діода, як видно з малюнка 1.2, починаючи з дуже малих значень зворотної напруги, не змінюватиметься зі зміною напруги. Цей незмінний із зміною напруги зворотний струм через діод, званий струмомнасичення пояснюється екстракцією неосновних носіїв заряду з прилеглих до переходу областей. Це призводить до зменшення граничної концентрації неосновних носіїв заряду біля p-n-переходу та подальшого розширення області просторового заряду через збільшення потенційного бар'єру.[3]
Схема зворотного включення діода показано малюнку 1.3.
Рис.1.3 Зворотне включення напівпровідникового діода
2. ТРАНЗИСТОРИ МДП-ТИПУ
2.1 Конструкція та принцип дії
Типова конструкція МДП-транзистора з індукованим р-каналом зображено малюнку 2.1.
Рис.2.1 Структура МДП-транзистора
На малюнку підписано: 1 - область витоку; 2 - р-канал; 3 - металізація затвора; 4 - діелектрик; 5 - область стоку; 6 - підкладка; 7 - область просторового заряду (ОПЗ); 8 - металізація підкладки.
Стокова та джерельна р-області спільно з індукованим р-каналом утворюють вихідний ланцюг МДП-транзистора. Управління вихідний потужністю забезпечується зміною напруги на затворі: якщо напруга на затворі стане більш негативним, то опір каналу зменшиться і при заданій напрузі на стоку вихідний струм збільшиться.
Транзистор, у якого канал створюється внаслідок напруги на затворі, називається транзистором з індукованим каналом. Однак може бути транзистор і з вбудованим каналом. І тут канал заздалегідь створюється технологічними методами.
Слід зазначити, що МОП транзистор із вбудованим каналом може працювати у режимі збіднення та збагачення.[5]
Існують різні графічні позначення МДП-транзисторів з вбудованим каналом n-типу та p-типу (рисунок 2.2 а, б) та з індукованим каналом n-типу та p-типу (рисунок 2.3 а, б).
Рис.2.2 Умовніграфічні позначення МОП - транзисторів з індукованим каналом n-типу (а) та p-типу (б)
Рис.2.3 Умовні графічні позначення МОП - транзисторів із вбудованим каналом n-типу (а) та p-типу (б)
3 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК ВИПРЯМУВАЛЬНОГО ДІОДА
3.1 Вихідні дані
Розрахунки параметрів та характеристик діода виконуємо у припущенні, що діод є кремнієвим і має шматково-однорідну структуру типу p+-n. Вихідні дані для розрахунків: геометрія кристала - паралелепіпед з квадратною основою А = 1 см, товщина пластини h = 300 мкм, товщина бази б = 280 мкм, концентрація Nб = 1014 см -3 домішкових атомів у вихідному кристалі; концентрація домішкових атомів в емітерній ділянці Nе=10 18 см -3 ; час життя нерівноважних носіїв у вихідному кремнії б = 10 мкс; тепловий опір корпусу діода RТ = 1,5 К/Вт.
3.2 Модель випрямного діода
Найбільш поширена в теорії електричних кіл модель напівпровідникового діода, що досить повно враховує особливості його нелінійної вольт-амперної характеристики, - модернізована модель Еберса-Молла (рисунок 3.1). Ця модель включає бар'єрну та дифузійну ємності діода (Сбд, Сдд), струм p-n-переходу (Ip-n), опір бази діода (Rб) та опір витоку (Rу).
Рис.3.1 Модель Еберса – Молла напівпровідникового діода
Тепловий потенціал ?т, В:
Т = КТ / q = 1,38 · 10 -23 · 300 / 1,6 · 10 -19 = 0,026 (3.1)
де K - Постійна Больцмана;
T - абсолютна температура в кельвінах;
q - заряд електрона.
Коефіцієнт дифузії дірок у основі Dpб ,см 2 /с:
де = 470 (см 2 /В * с) - рухливість дірок, яка визначена на малюнку 3.2.
Рис.3.2 Залежність рухливості електронів та дірок від концентрації домішкикремнію при 300К
Тепловий струм діода Iдо, А:
де - Концентрація власних носіїв у напівпровіднику;
- Площа p-n переходу.
Бар'єрна ємність діода Сб0, Ф:
Опір бази діода Rб, Ом:
де - Питомий опір бази діода, визначаємо за малюнком 3.3.
Рис.3.3 Залежність питомого опору германію та кремнію від концентрації домішки при 300К
3.3 Розрахунок параметрів та характеристик діода
Напруга проколу Uпрок , В:
Напруга лавинного пробою Uл, В:
Робоча зворотна напруга Uобр, В:
де 0,7 – коефіцієнт запасу.
Товщина збідненого шару l, см:
Генераційний струм переходу Iг, А
Коефіцієнт лавинного множення М:
де n - емпірична константа, n-Si n=5.
Зворотний струм діода
Дифузійна довжина нерівноважних носіїв.
За графіками (рисунок 3.2) визначаємо рухливості електронів і дірок: n = 1320 см 2 / (В * с); p = 470 см 2 / (В * с).
Максимальний прямий струм діода і максимальне пряме падіння напруги знаходять з умови рівності потужності, що виділяється при протіканні струму через діод, і теплової потужності, що віддається в довкілля:
Електрична потужність, що виділяється при протіканні струму:
Теплова потужність, що віддається в навколишнє середовище, визначається перепадом температур між p-n переходом та зовнішньою поверхнею корпусу та тепловим опором корпусу діода.
Рівність величин і дає рівняння
По ВАХ діода з допомогою комп'ютера знаходимо твір, тобто. теплову потужність Даній точці прямий ВАХ діода задовольняють I = 75,4 А; U = 0,99 Ст.
Падіння напруги діода для струму I:
Залежність описується співвідношенням, Ом:
Максимальнащільність струму p-n переходу , мА/см 2
Пряма гілка ВАХ діода визначається за допомогою співвідношення:
Результати розрахунків струмів та напруг оформлені у вигляді таблиці 3.1.