Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
При автоматизации большинства процессов обработки информации одним из основных инструментов является моделирование. Глубоко и всесторонне изучены дете...полностью>>
'Документ'
'Документ'
'Документ'
На сегодняшний день в составе Воткинской районной организации профсоюза состоит 40 первичных профсоюзных организаций, что составляет 100% образователь...полностью>>

Главная > Курсовой проект

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ЗАПОРОЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ

Факультет электроники и электронных технологий

Курсовой проект

по “твердотельной электронике”

На тему: “Расчет полупроводникового диода и МДП-транзистора”.

Выполнил Бугрим А.А

Номер зачётной книжки

Проверила : Переверзєва О.Н.

Дата здачи: ____________

Дата проверки ____________

Запорожье

2004

РЕФЕРАТ

26 страниц, 1 приложение, 6 таблиц, 6 графиков, 4 источника литературы

В работе рассматривается транзистор МДП-структкры и диод. Описываются их классификация, свойства, параметры. Произведен расчет основных параметров, зависимостей, характеристик. Представлены таблицы и графики прямой и обратной ВАХ диода, передаточная и стоковые характеристики для МДП-транзистора.

Диод, МДП-транзистор, режим обеднения, инверсия, канал, затвор, сток, исток, ток, пороговое напряжение, подвижность, температура, ёмкость, вольт-амперная характеристика, крутизна.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Полупроводниковый диод 6-10

1.1 Принципы классификации полупроводниковых диодов 6-8

1.2 Выпрямительные диоды 8-9

1.3 Импульсные диоды 9-10

2 МДП-транзистор 10-14

2.1 Классификация и основные особенности транзисторов 10-12

2.2 Система обозначений транзисторов 12-14

2.3 МДП-структура с индуцированным каналом 14

3 Расчет параметров диода 15-17

4 Расчет характеристик диода 17-19

5 Расчет параметров и характеристик МДП-транзистора 20-24

ВЫВОД 25

Список использованной литературы 26

ВВЕДЕНИЕ

С момента изобретения полупроводниковых приборов, они нашли широкое применение в самой разнообразной аппаратуре. Это связано с их преимуществами перед вакуумными лампами, отсутствие цепей накала, миниатюрное конструктивное оформление, высокая механическая прочность и практически мгновенная готовность к работе, что позволило коренным образом изменить внешний облик и функциональные возможности аппаратуры. В настоящее время наибольшее распространение получили полностью управляемые вентили - полевые и биполярные транзисторы- и замена ими диодов и тиристоров, особенно в устройствах малой и средней мощности. Кроме того, транзисторы используются в промышленных устройствах в качестве усилительных и ключевых элементов.

Электронные устройства (схемы) состоят из электрически связанных между собой пассивных компонентов и активных компонентов – полупроводниковых приборов. Изучение основ работы полупроводниковых приборов дает возможность изучит, и понять работу более сложных схем [1].

1.1 ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники, силовой (энергетической) преобразовательной техники. Несмотря на большое разнообразие и широкую номенклатуру выпускаемых в настоящее время диодов, их можно классифицировать по ряду признаков, важнейшими из которых являются физические эффекты и явления, определяющие механизм работы приборов, конструктивно-технологические особенности, совокупность параметров и области применения. Классификация современных полупроводниковых диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов. В основу системы условных обозначе­ний и маркировки диодов положен буквенно-цифровой код, отражающий информацию об исходном полупроводниковом материале, подклассе (или группе) приборов, назначении (параметр или принцип действия), порядковом номере разработки. Условное обозначение включает еще ряд буквенно-цифровых элементов, определяющих классификацию по параметрам диодов (ток, напряжение, быстродействие) и содержащих дополнительную информацию (исполнение корпуса диода, размер под ключ или диаметр таблетки и др.).

По типу исходного полупроводникового материала диоды делятся на кремниевые, германиевые и диоды из арсенида галлия. Реже применяются другие полупроводниковые материалы: селен, карбид кремния. Большинство современных полупроводниковых диодов изготавливаются на основе кремния. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей различают плоскостные, точечные и микросплавные диоды. Точечные и микросплавные диоды предназначены для работы на СВЧ и имеют ограниченный выпуск. Диоды изготавливают по диффузионной и сплавной технологии с применением операций эпитаксии и имплантации примесей. Сплавная технология в настоящее время имеет ограниченное применение.

Класс диодов содержит следующие подклассы: выпрямительные диоды, импульсные диоды, сверхвысокочастотные диоды, стабилитроны, стабисторы, варикапы и параметрические диоды, диоды Шоттки, туннельные и обращенные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазеры, фотодиоды, магнитодиоды, тензодиоды и др.

Особое место в силовой (энергетической) полупроводниковой электронике занимают силовые диоды (с предельным средним или предельным действующим током 10 А и более), или, по другой отечественной классификации, мощные диоды (с рассеиваемой мощностью 1 Вт и более). Силовые полупроводниковые диоды имеют несколько отличающуюся систему классификации и систему обозначений. По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды подразделяются на выпрямительные, лавинные выпрямительные, лавинные выпрямительные с контролируемым пробоем.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Для этих диодов работа в области пробоя недопустима. В соответствии с действующими стандартами (техническими условиями) к этим диодам даже кратковременно не разрешается прикладывать обратные напряжения, приводящие к лавинному пробою р-п переходов.

Лавинные выпрямительные диоды могут в течение ограниченного интервала времени рассеивать импульс приложенной энергии в области пробоя, при работе на обратной ВАХ, т. е. работать в качестве ограничителя напряжения. Вольт-амперная характеристика выпрямительного кремневого диода средней мощности приведена на рисунке 1.

Рисунок 1- Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода средней мощности

Лавинные выпрямительные диоды с контролируемым пробоем предназначены для работы в установившемся режиме в области пробоя, т. е. могут работать в качестве стабилизаторов, а в отдельных случаях - в качестве ограничителей напряжения.

Система параметров диодов включает большое число параметров. Параметры диодов подразделяются на предельные параметры, определяющие предельно допустимые значения- максимально и (или) минимально допустимые значения— и характеризующие (рабочие) параметры.

Допустимое значение параметра- это значение, при котором ожидается удовлетворительная работа прибора, а предельно допустимое значение параметра — это значение, за пределами которого прибор может быть поврежден или выведен из строя.

Характеризующее значение параметра- это значение электрической, тепловой, механической или другой величины, которое характеризует определенное свойство прибора. Разница между характеризующими и предельно допустимыми значениями параметров заключается в том, что последние нельзя измерять, их можно только проверять. Они устанавливаются на основе опытов, испытаний (часто разрушающих) или расчетов. Характеризующие значения параметров можно непосредственно или косвенно измерить.

1.2 ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотный диапазон их работы невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница рабочих частот - так называемая предельная частота выпрямительных диодов - как правило, не превышает 500 Гц - 20 кГц.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uoбрmax - напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без опасности нарушения его работоспособности (обычно Uoбрmax =0,5~0,8 Uпроб, где Uпроб- напряжение пробоя); максимально допустимый постоянный прямой ток Inpmax, постоянное прямое напряжение Uпр, максимально допустимый постоянный обратный ток Iobpmax- обратный ток утечки диода при приложении к нему напряжения Uoбрmax; частота без снижения режимов—верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (IПР<0,ЗА), диоды средней мощности (0,ЗАпр<10А) и мощные (силовые) диоды (Iпр>10А).

Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет р+-n-n+ структуры, т. е. изготавливаются на основе высокоомного кремния n-типа электропроводности. Это связано с тем, что поверхность слаболегированного n-кремния не подвержена каналообразованию в отличие от слаболегированного р-кремния. Каналообразование на высокоомном р-кремнии связано с наличием положительного заряда на границе раздела кремний—диоксид кремния и приводит к резкому увеличению токов поверхностной утечки выше до­пустимой нормы.

1.3 ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ

Импульсный диод - это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов схем, работающих с сигналами длительностью вплоть до наносекундного диапазона.

Основным параметром, характеризующим свойства импульсного диода, является время восстановления обратного сопротивления диода tвос, представляющее собой интервал времени от момента подачи импульса обратного напряжения до момента, когда обратный ток диода уменьшается до заданного значения.

Импульсные диоды, как правило, имеют малую емкость Сд, измеряемую как емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении. Для импульсных диодов указываются также следующие параметры: постоянное прямое напряжение Uпр (при протекании постоянного тока Iпр) и обратный ток Iобр (при заданном обратном напряжении). Предельные режимы работы импульсных диодов характеризуются максимальным значением обратного напряжения Uобртах любой формы и периодичности и максимальным значением прямого импульса тока 1примтах.

2.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ

Можно выделить три класса полевых полупроводнико­вых приборов: полевые транзисторы, полевые тиристоры и приборы с зарядовой связью. Широкое распространение в современной электронике находят полевые транзисторы.

Полевые приборы в схеме выполняют те же функции, что и биполярные приборы, и могут работать в усилитель­ном или ключевом режиме. Главная особен­ность полевых приборов состоит в том, что их цепь управления изолирована от выходной цепи диэлектриком или обратносмещенным р-п переходом. Фактически цепь управления полевого прибора представляет собой конден­сатор, заряд на обкладках которого изменяется под дейст­вием управляющего поля (напряжения). Полупроводнико­вая обкладка этого конденсатора С входит в выходную цепь прибора: изменение заряда обкладки приводит к измене­нию сопротивления канала rкан и соответственно выходной мощности.

Рисунок 2- МДП-транзистор с поверхност­ным горизонтальным проводящим кана­лом: ОПЗ — область пространственного заряда

В классе полевых транзисторов различают транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы) и транзисторы с управляющим р-п переходом. В МДП-транзисторах управляющая цепь затвор З- исток И отделена от канала диэлектриком. Обычно в качестве диэлектрика используют оксид (диоксид кремния SiO2) и говорят о МОП-транзисторах (со структурой металл-ок­сид-полупроводник). Проводящий канал в МДП-транзисторах (показан штриховкой на рис. 2) расположен меж­ду стоком С и истоком И и имеет повышенную концентра­цию носителей заряда по отношению к исходному полупроводнику-подложке. Проводимость канала изменяется с помощью цепи управления либо за счет изменения концент­рации носителей заряда канала, либо за счет изменения его геометрических размеров.

МДП-транзисторы применяют двух типов: со встроен­ным и индуцированным каналами. Уменьшение тока на вы­ходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечи­вается подачей на управляющий электрод-затвор-напря­жения U3 с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: для р-канала Uз>0, для n-канала U3<0. Напряжение затвора U3 указанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротив­ление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если изменить полярность напряжения на затворе (напри­мер, для МДП-транзистора со встроенным

р-каналом подать U3<0), то произойдет обогащение канала дырками и соответственно увеличение выходного тока.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при на­пряжении на затворе, равном нулю, канал отсутствует. Только при приложении к затвору так называемого поро­гового напряжения образуется (индуцируется) канал. При этом полярность напряжения на затворе должна совпадать со знаком основных носителей в объеме полупроводника-подложки: на поверхности полупроводника индуцируется заряд противоположного знака, т. е. тип проводимости при­поверхностного слоя полупроводника инвертируется и об­разуется проводящий канал.

Таким образом, МДП-транзисторы со встроенным кана­лом могут работать как в режиме обеднения канала носи­телями заряда, так и в режиме обогащения. МДП-транзи­сторы с индуцированным каналом работают только в ре­жиме обогащения.

В полевых транзисторах с управляющим р-п переходом управляющая цепь отделена от канала обратносмещенным р-п переходом, при этом канал расположен в объеме полу­проводника и существует при нулевом напряже­нии на затворе, т. е. является встроенным каналом. На управляющий р-п переход можно подавать только обрат­ное напряжение, и поэтому полевые транзисторы с управ­ляющим р-п переходом работают в режиме обеднения ка­нала носителями заряда.

С точки зрения эксплуатации полупроводниковых при­боров необходимо подчеркнуть, что МДП-транзистор с ин­дуцированным каналом в отсутствие напряжения управления заперт -это нормально закрытый прибор. Полевой транзистор со встроенным каналом (полевой транзистор с управляющим р-п переходом или МДП-транзистор со встроенным каналом)-прибор нормально открытый, т. е. для поддержания закрытого состояния таких транзисторов необходимо запирающее смещение в цепи управления. Ес­ли цепь управления по какой-либо причине отключается, то нормально закрытый прибор запирается, а в нормально открытом приборе ток на выходе резко возрастает и прибор может выйти из строя.

Наибольшее применение в современной электронике по­лучили МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

2.2 СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Полевой транзистор имеет три основных электрода: управляющий электрод -затвор 3 и выходные электроды - сток С и исток И. Стоком называется электрод, к которому поступают носители заряда из канала. Если канал, например, n-типа, то носители заряда, поступающие из канала, — электроны, а полярность напряжения стока положитель­ная. Возможен также четвертый электрод П, который соединяется с пластиной исходного полупроводника — подложкой [1].

На рисунке 3 приведены основные обозначения полевых транзисторов; для сравнения здесь же показаны обозначения биполярных транзи­сторов.

Рисунок 3-Условные обозначения:

а ~ биполярного транзистора; б — МДП-транзистора с индуцированным каналом; в - ПТУП

МДП-транзисторы с индуцированным каналом (нормально закры­тые) имеют пунктирную линию в обозначении канала (рис. 3,6), поле­вые транзисторы со встроенным каналом (нормально открытые) — сплошную (рис. 3, в). Стрелка в обозначении полевых транзисторов определяет тип канала: направлена к каналу - для канала n-типа и от канала- для р-типа. Практически направление стрелки совпадает с на­правлением тока стока в стоковом электроде, что позволяет легко оп­ределить полярности управляющего (3И) и выходного (С—И) напря­жений. Полярность управляющего и выходного напряжений для МДП-транзистора с индуцированным каналом одинакова, для полевых тран­зисторов со встроенным каналом- противоположна [1].

Семейство выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом представлено на рисунке 4

Рисунок 4- Семейство выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом

Параметром семейства выходных ВАХ МДП-транзистора является напряжение на затворе Uзи с увеличением напряжения Uзи сопротивление канала уменьшается и ток стока Ic возрастает- характеристика идет выше. Можно выделить три основные рабочие области:

1- область отсечки выходного тока: транзистор заперт и в цепи стока протекает малый остаточный ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового p-n перехода.

2- активная область (пологая часть выходных ВАХ) - область где выходной ток Ic остается практически неизменным с ростом напряжения Uси.

3- область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток Ic в этой области работы задается внешней цепью.

2.3 МДП-СТРУКТУРА С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

МДП-структура состоит из полупроводника П — обычно кремний, тонкого слоя диэлектрика Д — чаще всего диок­сид кремния, металлической пленки М. Управ­ление выходной мощностью в МДП-структуре сводится к управлению сопротивлением канала, который возникает (индуцируется) под действием поля затвора у поверхности полупроводника П. Можно выделить два основных режима МДП-структуры. Во-первых, режим обеднения, когда у поверхности полупроводника структуры отсутствуют подвижные носители заряда и соответственно сопротивление канала очень большое (канал закрыт); за­ряд у поверхности полупроводника при этом представляет собой неподвижные ионы обедненной примеси (область пространственного заряда — ОПЗ). Во-вторых, режим ин­версии, при котором у поверхности полупроводника индуцируется заряд подвижных носителей (дырок или электронов в зависимости от типа канала), сопротивление канала уменьшается (канал открыт). Чем больше концентрация подвижных носителей, тем меньше сопротивление канала и тем большая мощность передается в нагрузку.

Полевые транзисторы широко применяются в устройст­вах промышленной электроники: в источниках питания и стабилизаторах, в преобразователях для привода по­стоянного и переменного тока, в мощных усилителях, в вы­ходных каскадах вычислительных устройств, в системах управления преобразователей и др [1],[2].

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИОДА

Дано: A-0.1 (см), h-200 (мкм), ωб-180 (мкм), Nб-2*1015 (1/см3), Nэ-1018 (1/см3), tб-3 (мкс), RT-11 (K/Ват)

Справочные данные: ni=1.45*1010 (см-3), ε=12, ε0=8,85,*10-14 (Ф/см)

Вычисления

Находим по графикам ρб-удельное сопротивление базы диода и μ-подвижность электронов.

ρб= 2,42 (Ом*см), μn=1290 (см2/(В*с)), μp=470 (см2/(В*с))

Рабочее обратное напряжение находим из условия

где 0,7-коэфициент запаса;

Uл- напряжение лавинного пробоя;

Uпрок-напряжение прокола;

= 4,8*104 (В)

Uл=86 ρб0,64= 86*2,420,64= 151,50 (В)

Минимальным оказалось Uл, следовательно, Uобр равно:

Uобр=0,7* Uл=0,7*151,50=106,05 (В)

Обратный ток диода рассчитываем при условии, что на диод действует обратное напряжение Uобр:

где М- коэфициент лавинного умножения;

Iog- ток насыщения перехода;

Ir- генерационный ток перехода;

Ток насыщения Iog находим по формуле:

где l- толщина обедненного слоя:

φт= (В) - тепловой потенциал

φк= (В)-контактная разность потенциалов

= (см)

M=[1-( Uобр/ Uл)5]-1=[1-(106,05/151,50)5]-1=1,202

Генерационный ток перехода Iг:

(А)

Для нахождения тока насыщения перехода Igo необходимо найти Dh,- коэфициент диффузии дырок в базе:

(см2/с)

(A)

Все известно для нахождения Iобр:

Iобр=1,202*(1,14*10-13+3,259*10-9)=3,92*10-9 (А)

Прямой максимальный ток диода и максимальное прямое падение напряжения находим из условия равенства мощности, выделяющейся при протекании тока через диод, и тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду:

Рэлтепл

Электрическая мощность, выделяющаяся при протекании тока:

Рэл=IU(I)

Тепловая мощность, отдаваемая в окружающую среду, определяется перепадом температур между р-п переходом и внешней поверхностью корпуса и тепловым сопротивлением корпуса диода:

Ртепл=(Тр-nк)/RT=(413-300)/11=10,27 (Ват)

Равенство величин Рэл и Ртепл дает уравнение:

IU(I)- (Тр-nк)/RT=0

При U(I) ≈ 1, I≈Ртепл

При U(I) ≈0,79, Im≈13 (А)

Найдем необходимые величины для расчета падения напряжения диода и сопротивления базы Rб:

; (см) ; ώб=

In= (А)

(Ом)

(Ом)

Находим падения напряжения диода от найденного максимального тока Im :

(В)

Максимальная плотность тока:

(А\см2)



Похожие документы:

  1. Расшифровка марки диода Д223Б (на основании классификации приборов разработанных до 1964г. /5/)

    Расшифровка
    ... помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. МДП-транзисторы имеют низкий уровень ... ООС принимается после расчета коэффициента гармоник выходного каскада ... , 2005. – 768 с. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник ...
  2. 13ww Лабораторная работа 23 ( Lr 23) БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Снятие и анализ вх

    Документ
    ... 1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярные транзисторы – это полупроводниковые приборы, ... используют для расчета цепей смещения ... , аналогичный характеристикам диодов: ток базы ... транзисторов с р-п-переходом ток стока максимальный, а у МДП-транзисторов ...
  3. P), а другой электронной (n

    Документ
    ... транзисторов. Экспериментальное и компьютерное исследование их вольт-амперных характеристик и расчет основных h-параметров. Полупроводниковые диоды Диодами ... полевых транзисторов, а также полевых транзисторов с p-n-переходом и МДП транзисторов. СПИСОК ...
  4. 3. 1 Подготовительные операции

    Документ
    ... через базу. Однако расчеты показывают, что ... называют МОП-транзисторами. МДП-транзистор. Поскольку интегральные МДП-транзисторы не нуждаются ... диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные ...
  5. Физические основы микроэлектроники практикум

    Документ
    ... с изолированным затвором. Рис. 2.16. Структура МДПтранзистора Порядок выполнения работы Лабораторная установка ... характеристику идеального полупроводникового диода, если обратный ток насыщения Io=10 мкА. Расчет проводить ...

Другие похожие документы..