Проектування польового транзистора з ізольованим затвором та індукованим каналом p-типу (КП301Б)

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ОПЗ — область просторового затвору

В — витік

С — стік

З — затвор

UЗВ — напруга на затворі - виток

Uпор — напруга порогова

UСВ — напруга стік-витік

IC — струм стока

S — крутість характеристики

ВАХ — вольт-амперна характеристика

Uпор- напруга при якій створюється канал

МОН- метал-окисел-напівпровідник

МДН — метал — діелектрик — напівпровідник транзистор

ВСТУП

Польовим транзистором називається електроперетворювальний прилад, в якому струм каналу управляється електричним полем, що виникає з прикладенням напруги між затвором і витоком, і який призначений для посилення потужності електромагнітних коливань.

Каналом називається центральна область транзистора. Електрод, з якого в канал входять носії заряду, називається витоком, а електрод, через який основні носії йдуть з каналу — стоком. Електрод, що служить для регулювання поперечного перерізу канал називається затвором.

Так як у польових транзисторах струм визначається рухом носіїв тільки одного знака, раніше їх називали уніполярними, що підкреслювало рух носіїв заряду одного знака.

Польові транзистори виготовляють з кремнію і, в залежності від електропровідності вихідного матеріалу, підрозділяють на транзистори з p-каналом і транзистори з n-каналом.

Головні переваги польових транзисторів — високий вхідний опір.

Ідея пристрою польового транзистора з керуючим p-n-переходом належить У. Шоклі (1952 р.), а транзистора з ізольованим затвором — М. Атолл і Д. Кангу (1960 р.).

В даній роботі розраховано та експериментально підтверджено властивості польового транзистора КП301Б.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Класифікація та умовні позначення транзисторів

Класифікація і умовні графічні позначення польових транзісторів наведено на рисунку 1. 1

Рисунок 1. 1- Класифікація та умовні графічні позначення польових транзисторів

1.2 Польові транзистори з ізольованим затвором

У транзисторах з ізольованим затвором затвор відділений від напівпровідникового каналу тонким шаром діелектрика. Інакше ці прилади називають МДН-транзистори (метал-діелектрик-напівпровідник). МДн-транзистори виготовляють з кремнію. В якості діелектрика використовують оксид (оксид) кремнія SiO2, звідси й інша назва — МОН-транзистори (метал-оксид-напівпровідник). Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір (1012−1014 Ом). Принцип дії МДН-транзисторів заснований на ефекті зміни провідності приповерхневого шару напівпровідника на границі з діелектриком під впливом поперечного електричного поля. Приповерхневий шар напівпровідника є струмоведучих каналом.

1.3 МДН-транзистори з вбудованим каналом

Структура та схема включення МДН-транзистора з вбудованим каналом наведено на рисунку 1.2.

У вихідній пластині чистого або слаболегованого кремнію (p-типу), званого підкладкою, створені області стоку, каналу і витоку n-типу. Четвертий електрод — підкладку в більшості схем з'єднують з витоком. Подачею керуючої напруги Uзв на затвор транзистора, за рахунок створюваного електричного поля в його структурі, здійснюється керування величини струму стоку Iс.

Розглянемо характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом. ВАХ польових транзисторів з ізольованим затвором в основному аналогічні характеристикам транзисторів з керуючим p-n-переходом.

Стокові (вихідні) характеристики транзистора Ic = f (Uси) при Uзи = const наведено на рисунку 1.3.

Ізольований затвор дозволяє працювати в області позитивних зна-чення напружень затвор-витік Uзв. На рисунку 1.3 показані три сімейства ви-хідні характеристик залежно від значень напруги Uзв.

Рисунок 1.2 — Схема включення МДН-транзистора з вбудованим каналом

Перше сімейство (Uзв = 0). Струм стоку Iс визначається вихідною провідністю каналу. При малих значеннях вплив напруги Uсв на провідність каналу мало, тому що в міру наближення до стоку, потенціал зростає і збільшується запірний шар (модуляція). При збільшенні значень напруги Uсв канал звужується, струм зменшується. У точці б канал звужується до мінімуму.

Рисунок 1.3 — Стокові (вихідні) характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом

Друге сімейство (Uзв < 0). При Uзв <0 електричне поле виштовхує електрони, що призводить до зменшення концентрації їх у каналі, знижуючи його провідність. Цей режим називається режимом «збідніння» каналу.

Третє сімейство (Uзв> 0). При Uзв> 0 електричне поле притягує елек-трони з p-області, збільшується концентрація їх і підвищується провідність каналу. Цей режим називається режимом «збагачення» каналу носіями.

Стоко-затворна (передавальна) характеристика Ic = f (Uзв) при Uсв = const наведена на рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 Стоко-затворна (передаточна) характеристика МДН-транзистора з вбудованим каналом

Змінюючи полярність і значення напруги затвор-витік Uзв, можна викликати провідність каналу і, отже, струм стоку Iс при незмінному значені напруги стік-витік Uсв. На відміну від польових транзисторів з керуючим p-n-переходом, при цьому змінюється не площа перерізу каналу, а концентрація основних носіїв заряду.

1.4 МДН-транзистор з індукованим каналом

Схема включення МДН-транзистора з індукованим каналом приведена на рисунку 1.5.

Рисунок 1.5 Структурна схема МДН-транзистора з ізольованим затвором індукованим каналом p-типу

Канал провідності струму в цьому типі транзистора не створюється, а індукується завдяки припливу електронів з p-області при прикладеній до затвору напруги позитивної полярності. Транзистор з індукованим каналом працює тільки в режимі збагачення. ВАХ транзистора з індукованим каналом наведено на рисунку 1.6. А еквівалентна схему МДН- транзистора з ізольованим затвором та індукованим каналом зображено на рисунку 1.7.

1.5 Переваги і недоліки польових транзисторів

Перевагами польових транзисторів є:

1) високий вхідний опір, що відповідає підвищеному коефіцієнту підсилення по потужності керування;

2) обумовленість робочого струму тільки основними носіями заряду і, як наслідок, висока швидкодія. Час перемикання сучасних МОН-транзисторів

Рисунок 1.6 Вольт-амперные характеристики транзистора з індукованим каналом: а — стокова Ic = f (Uсв) при Uзв = const (вихідна);б — стоко-затворна Iс = f (Uзв) при Uсв = const (передаточна)

Рисунок 1.7 — Еквівалентна схема

складає одиниці наносекунд. Така швидкість перемикання обумовлена тим, що в них практично виключені струми накопичених зарядів неосновних носіїв;

3) майже повне розділення вихідного сигналу від вхідного;

4) малий рівень шумів;

5) можливість роботи на високій частоті (до 100 кГц).

До недоліків польових транзисторів можна віднести:

1) низькі значення комутованого струму (десятки ампер) і напруги (до 500−600 В);

2) високі значення прямих втрат внаслідок великого опору у включеному стані (0,2−0,5 Ом).

Польові транзистори мають таке ж маркування як і біполярні, але з заміною другої літери на букву П. Наприклад, КП-302 А, КП-904 Б.

1.6 Польові транзистори на сучасному етапі

Про реальний вид нових приладів можна судити по мікрофотографії ділянки мікросхеми з такими транзисторами (рис. 1. 8). На малюнку видно, що області приладу геометрично чітко помітні і що їх виготовлення поки досить добре контролюється.

Ми вживаємо слово «пока» тому, що розміри деяких областей таких приладів (перш за все товщина діелектрика затвора) наблизилися до розмірів атомів і товщина діелектрика складає декілька атомних шарів.

В своїй доповіді один із засновників корпорації Intel Гордон Мур приводить унікальні мікрофотографії вирізки області каналу у польових транзисторів. Отримані за допомогою електронного мікроскопа з величезним збільшенням (сотні тисяч разів) ці мікрофотографії (рис. 1. 9) дозволяють спостерігати окремі атоми, які виглядають, як сфери

Рисунок 1.8 — Мікрофотографія ділянки мікросхеми.

У звичайних польових транзисторів, виконаних по 90 нм технологічному процесу (рис. 1.9 зліва), товщина діелектрика досягає 1,2 нм, а у нових транзісторов- всього 5 атомів. Такий тонкий шар не дуже контрольований, що веде до появи помітних струмів витоку. У нових транзисторів (рис. 1.9 справа) товщина нового діелектрика помітно збільшена (до 3 нм).

Рисунок 1.9 — Вирізки області каналу у польових транзисторів

Це різко (приблизно у сто разів) зменшило струми витоку, що також дозволяє зменшити робочі струми транзисторів. Дія затвора збережена, оскільки новий діелектрик має підвищену діелектричну проникність.

В цілому всі ці тонкощі структури і технології виготовлення інтегральних польових транзисторів означають зменшення їх розмірів і підвищення робочих частот при одночасному зниженні робочої напруги, струмів і розсіюваної потужності. Розрахунки показують, що щільність упаковки транзисторів в мікросхемі зростає в тисячі разів, і це означає новий технологічний прорив у виробництві СБІС.

В роботі B. Doyle, представленою в матеріалах другого форуму IDF в Москві (кінець 2003 р.), були представлені матеріали по дослідженню і математичному моделюванню транзисторів трьохзатворів. Досліджуваний зразок приладу (рис. 1. 10) має нікчемно малі розміри.

Рисунок 1. 10 — Трьохзатворний транзистор

На рисунку 1. 11 представлено сімейство вольт-амперних вихідних і передавальних характеристик цього приладу. Вони наочно показують нам можливість роботи нових приладів при робочій напрузі 1 В і нижче. Услід за Intel про розробку швидкісного польового транзистора трьохзатвора оголосила і компанія AMD. Її транзистори також створюються на основі структури SOI- кремній на ізоляторі.

Надтонка струмопровідна підкладка, створена із збідненого кремнію на ізоляторі (FDSOI), оточена з трьох боків затворами з силіциду нікелю. У такій структурі також відбувається розтягування кремнію на підкладці і збільшується рухливість носіїв струму. AMD стверджує, що досягнутий додатковий приріст швидкодії транзисторів на 50%.

Рисунок 1. 11 — сімейство ВАХ трьох затворного транзистора

Перспективи розвитку напівпровідникової промисловості встановлюються в проекті ITRS (Міжнародний технологічний план випуску напівпровідників). Нові польові транзистори трьохзатворів перевершують показники, представлені в цьому проекті на 2009 рік.

2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1 Схема та вихідні дані МОП-транзистора

Маємо польовий транзистор на основі кремнію з ізольованим затвором та алюмінієвою металізацією і підзатворним діоксидом кремнію з індукованим каналом p-типу електропровідності.

Таблиця 2.1 — Вихідні дані МОП- транзистора

Геометричні розміри

Електрофізичні параметри

d,

10 м

L,

10 м

z,

10 м

Na,

10 м

Nпов,

10 м

мp,

мВ*С

цмдн,

В

еd,

е

цt,

В

ni,

10 м

q,

Кл/м

1

5

5

3

2

0,05

-0,95

4

12

0,025

1,6

1,6

Схема транзистора зображена на рисунку 2. 1

Рисунок 2.1 — Схема польового транзистора з ізольованим затвором і каналом p-типу

2.2 Розрахунок основних електричних параметрів

Розрахуємо питому ємність між затвором і підложкою:

Напруга на ОПЗ буде складати:

Тепер розрахуємо ширину ОПЗ:

Густину заряду ОПЗ розрахуємо за наступною формулою:

і густину поверхневого заряду в діоксиді кремнію

Тепер маємо всі дані для розрахунку порогової напруги, яку розрахуємо наступним чином:

Ємність затвор- канал склала:

2.3 Розрахунок передаточних характеристик

В передаточні характеристики входять струм стоку, напруга затвор-витік, та крутизна.

Струм стоку отримаємо за формулою:

Для того, щоб розрахувати струм стоку необхідно задати значення напруги на затворі - витік. Запишимо ці значення у вигляді таблиці:

Таблиця 2.2 — Напруга на затворі

Uзв, В

-3

-4,95

-6,96

-8

-9

-10

-11

-13

-15

-16

На основі таблиці 2.2 та формули (2. 1) розрахуємо струм стоку:

Аналогічно розрахуємо Ic1, Ic2, Ic3 і т.д. Отримані дані занесемо до таблиці 2.3.

Запишимо формулу для крутизни характеристик:

(2. 2)

Використовуючі дані з таблиці 2.2 маємо:

Змінюячи значення напруги Uзв отримаємо відповідні S, які також занесемо до таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 — Таблиця передаточних характеристик і крутизни

Uзв, В

-3

-4,95

-6,96

-8

-9

-10

-11

-13

-15

-16

Ic,

мА

0,0032

0,136

0,628

1,023

1,494

2,051

2,698

4,257

6,17

15

S,

мАВ

0,143

0,311

0,666

0,851

1,028

1,202

1,382

1,736

2,09

2,267

2.4 Розрахунок вихідних характеристик

Розрахуємо вихідні характеристики за допомогою формули:

Підбираючи значення Uзв та Uсв отримаємо наступні значення струму:

В

та занесемо їх до таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 — Дані вихідних характеристик

2.5 Розрахунок максимальної робочої частоти, вхідного і вихідного опору

Максимальну робочу частоту отримаємо за формулою (2. 4) при UЗВ = 2 Uпор = 6, 38 В

Вхідний і вихідний диференціальний опір розрахуємо за формулами (2. 5) та (2. 6)

Опори склали відповідно Rвх = 531 Ом Rвих= 2,2 КОм

2.6 Експериментальні дані

Для перевірки правильності математичних розрахунків та наявності похибки було знято експериментальні дані для транзистора КП301. Які наведені нижче.

Таблиця 2.5 — Передаточні характеристики

Таблиця 2.6 — Вихідні характеристики

UЗВ, В

Iс, мА

UСВ, В

UЗВ, В

Iс, мА

UСВ, В

-8,97

0

0

-13

0

0

0,6

-0,81

0,59

-0,3

0,87

-1,81

1,13

-0,6

1,02

-2,81

1,46

-0,8

1,19

-5,84

2,89

-1,78

1,33

-9,87

3,99

-2,77

5,34

-4,78

6,18

-7,78

6,57

-9,8

На основі математичних та експериментальних даних збудуємо ВАХ стокових та стоко-затворних характеристик (додаток А).

ВИСНОВКИ

польовий транзистор схема канал

В даному курсовому проекті визначили всі основні характеристики польового транзистора КП301: вхідний та вихідний диференціальний опори Rвх = 531 Ом, Rвих = 2,2 КОм, крутизну S = 1, 028 мАВ, максимальну частоту fmax = 119 МГц. На основі одержаних даних побудували ВАХ.

Як бачимо, польовий транзистор має високі властивості і тому значна частина вироблених в даний момент польових транзисторів входить до складу КМОП-структур, які будуються з польових транзисторів з каналами різного p-і n-типу провідності і широко використовуються в цифрових і аналогових інтегральних схемах.

За рахунок того, що польові транзистори управляються полем (величиною напруги прикладеного до затвора), а не струмом, що протікає через базу (як в біполярних транзисторах), польові транзистори споживають значно менше енергії, що особливо актуально в схемах малого споживання та енергозбереження (реалізація сплячих режимів).

Грандіозними темпами розвиваються галузі застосування потужних польових транзисторів. Їх застосування в радіопередавальних пристроях дозволяє отримати підвищену чистоту спектру випромінюваних радіосигналів, зменшити рівень перешкод і підвищити надійність радіопередавачів. У силовій електроніці ключові потужні польові транзистори успішно замінюють і витісняють потужні біполярні транзистори. У силових перетворювачах вони дозволяють на 1−2 порядки підвищити частоту перетворення і різко зменшити габарити і масу енергетичних перетворювачів. У пристроях великої потужності використовуються біполярні транзистори з польовим управлінням (IGBT) успішно витісняють тиристори. У підсилювачах потужності звукових частот вищого класу HiFi і HiEnd потужні польові транзистори успішно замінюють потужні електронні лампи, які мають малими нелінійними і динамічними спотвореннями.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1.Л. Росадо «Физическая электроника и микроэлектроника» М. -«Высшая школа» 1991 — 351 с.: ил.

2. И. П. Степаненко «Основы теории транзисторов и транзисторных схем», изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1973. 608 с. с ил.

3. http: //transistor. dp. ua/

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой