Расчет полевого транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)

Курсовой проект

Расчет полевого транзистора

Томск 2021

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

транзистор электронный прибор

Студенту группы факультета электронной техники

1. Тема проекта:

Расчет полевого транзистора

2. Исходные данные к проекту:

2.1 Полевой транзистор с индуцированным каналом на основе дырочного германия

2.2 Параметры материала: подвижность 3700 см²/В·с.

2.3 Размеры канала: длина l = 10 мкм, ширина b = 1·10-2 см

2.4 Толщина слоя окисла d = 0,15 мкм

2.5 Диэлектрическая проницаемость окисла ? = 4.

2.6 Допустимые значения параметров: максимальный ток стока Iст = 10 мА, максимальное напряжение Uст = 10 В.

3. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):

3.1 Анализ исходных данных.

3.2 Температурный режим работы прибора.

3.3 Аналитический расчет электрофизических параметров.

3.4 Расчет дифференциальных параметров транзистора.

3.5 Расчет передаточной характеристики в области насыщения.

3.6 Расчет рабочего диапазона частот.

3.7 Расчет мощности рассеяния и выбор корпуса

3.8 Расчет выходных характеристик в диапазоне Uз = 0 - 15 В, Uст = 0 - 10 В (алгоритм и программа).

4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

4.1 Конструкция прибора.

4.2 Передаточная характеристика.

4.3 Выходные характеристики.

Дата выдачи задания «2» сентября 2020г.

Руководитель

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
• 1.1 Полевой транзистор. Основные понятия
• 1.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором
• 1.3 Основные параметры и характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом
• 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
• 1.1 Температурный режим работы прибора
• 1.2 Расчет электрических параметров
• 1.3 Расчет электрофизических параметров
• 1.4 Расчет дифференциальных параметров транзистора
• 1.5 Расчет передаточной характеристики в области насыщения
• 1.6 Расчет выходных характеристик
• 1.7 Расчет мощности рассеяния, частоты и выбор корпуса
• ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Полевые транзисторы в схеме выполняют те же функции, что и биполярные транзисторы, и могут работать в усилительном или ключевом режиме. Главная особенность полевых транзисторов состоит в том, что их цепь управления изолирована от входной цепи диэлектриком или обратно смещенным p-nпереходом[1].

Актуальность полевого транзистора подтверждается ростом упоминаний в Российский источниках.

Таблица 1.1 - Актуальность транзисторов в РФ

Год	Количество публикаций по теме транзисторов
	Полевые	Всего
2010	165	654
2011	131	662
2012	188	824
2013	207	927
2014	284	1011
2015	272	951
2016	271	954
2017	289	995
2018	347	1186
2019	301	989
2020	276	751

Для наглядности рассмотрим рисунок 1.1



Рисунок 1.1 - Количество упоминаний в Российских источниках: ПТ - полевой транзистор, Т - транзистор

Как видно из графика интерес к полевым транзисторам в РФ возрастает. Среднее количество упоминаний полевых транзисторов от общего количества транзисторов в РФ составляет 27%. Что говорит о их востребованности на рынке.

Так же для анализа актуальности посмотрим количество упоминаний в зарубежных источниках.

Таблица 1.2 - Актуальность транзисторов в мире

Год	Количество публикаций по теме транзисторов
	Полевые	Всего
2010	14528	41581
2011	15253	40945
2012	17470	43507
2013	18340	46868
2014	21612	53261
2015	22264	56252
2016	23096	26283
2017	24980	59653
2018	26510	63858
2019	27499	67224
2020	21585	54943

Для наглядности рассмотрим рисунок 1.2

Рисунок 1.2 - Количество упоминаний в зарубежных источниках: ПТ- полевой транзистор, Т - транзистор

По рисунку 1.2 можно сделать вывод о росте востребованности транзисторов и полевых транзисторов до 2019 года.Среднее количество упоминаний полевых транзисторов от общего количества транзисторов в мире составляет 42%.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Полевой транзистор. Основные понятия

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем[2].

Рисунок 2.1 - Устройство полевого транзистора

Токопроводящий канал соединяет две сильнолегированных области. Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, а область, в которую они приходят, - стоком. Электрическое поле, изменяющее проводимость канала, создается путем подачи управляющего напряжения на электрод, называемый затвором [3].

Полевые транзисторы называют униполярными, так как для его работы используется только один тип носителей.

Цепь управления полевого прибора представляет собой конденсатор, заряд на обкладках которого изменяется под действием управляющего поля (напряжения).

Выходные параметры полевых транзисторов в основном определяются свойствами канала [1].

Существует две разновидности полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала:

· полевые транзисторы с управляющим переходом (p-n переходы или контакт Шоттки)

· транзисторы с изолированным затвором

В транзисторах с управляющим р-n переходом в качестве затвора используется область, тип электропроводности которой противоположен типу электропроводности канала, в результате чего между затвором и каналом образуется p-n переход[3].

В транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и проводящим каналом расположен тонкий слой диэлектрика так, что образуется структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура). Такие транзисторы обычно называют МДП-транзисторами.

Проводящий канал в МДП-транзисторах расположен между стоком С и истоком Ии 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[1].

1.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

МДП-транзисторы применяют двух типов:

· встроенный канал

· индуцированный канал

В качестве диэлектрика в МДП-транзисторах обычно используют диоксид кремния SiO₂, так что образуется структура металл-диэлектрик-полупроводник или в этом случае металл-оксид-полупроводник (МОП-структура)[3].

Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод-затвор-напряжения U_з с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале:

· для p-канала U_з>0

· дляn-канала U_з<0

Напряжение затвора U_з указанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если изменить полярность, то произойдет обогащение канала носителями и соответственно увеличение выходного тока.[1].

МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения.

Проводящий встроенный канал под затвором МДП-транзистора может быть сформирован в процессе изготовления структуры путём локальной диффузии или ионной имплантации [4].

Устройство транзистора с изолированным и встроенным затвором показано на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Устройство транзистора с изолированным затвором

На подложке германия p-типа, создаются две сильнолегированных области n⁺-типа из примеси силена Se. Одна из полученных областей используется как исток, другая как сток. Между истоком и стоком существует канал, который либо создается в процессе изготовления транзистора (встроенный канал), либо индуцируется при подаче на затвор положительного напряжения (индуцированный канал)[3].

Устройство транзистора с индуцированным каналом показано на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Устройство транзистора с индуцированным каналом

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.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения[1].

Изменяя напряжение U_з можно изменять толщину канала d_k, а следовательно, его проводимость [3].

Фактически МДП-структура представляет собой конденсатор, заряд полупроводниковой обкладки которого под действием напряжения затвора U_з меняется количественно и качественно.

При этом можно выделить два основных режима МДП-структуры: режим обеднения, когда у поверхности полупроводника отсутствуют подвижные носители заряда и соответственно сопротивление канала очень большое (канал закрыт); 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 на нагрузку.

Выходные характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом представлены на рисунке 2.4.На первом участке ток характеризуется линейной зависимостью вплоть до напряжения насыщения. При этом напряжении, сужается проводящий канал у p-nперехода за счет увеличения ширины запирающего слоя в p-области, далее происходит пробой p-nперехода, из-за высокого обратного напряжения.

Рисунок 2.4 - Выходные характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом

Передаточная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом представлена на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 - Передаточная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом

При напряжении затвора равным нулю U_з=0 , ток стока тоже равен нулю I_c=0. При напряжении затвора вышепорогового напряжения U_пор, ток стока начинает возрастать с ростом напряжения затвора. Причем так что, чем больше U_з тем больше I_c.

1.3 Основные параметры и характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом

Ток насыщения I_нас - это максимальный ток стока, который наблюдается в отсутствии обратного напряжения на затворе, то есть при полностью открытом канале.

Напряжение отсечки U_пор- это такое напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, по которому происходит увеличение основных носителей заряда, уменьшается сопротивление канала и, следовательно, увеличивается ток.

Емкость затвора - определяет управляющую способность затвора.

Выходные характеристики полевого транзистора - это зависимость тока стока от напряжения исток-сток при различных напряжениях на затворе.

Крутизна проходной характеристики S - это параметр, который характеризует управляющее действие затвора. Крутизна зависит прямо пропорционально от тока стока и обратно пропорционально от напряжения на затворе, поэтому максимальному значению крутизны соответствует минимальное значение по напряжению затвора.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Температурный режим работы прибора

За минимальную рабочую температуру возьмем температуру истощения примеси [5]T_s:

(3.1)

(3.2)

где - глубина залегания примеси, 0,28 эВ,

N_d=10¹⁸см^-3- концентрация рассеивающих центров,

- постоянная Больцмана,

- эффективная масса электронов,

- постоянная планка.

Определение температуры примеси представлено на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Температура истощения примеси

T_s= 714К

За максимальную рабочую температуру возьмем температуру перехода в собственное состояниеT_i:

(3.3)

где - ширина запрещенной зоны при T=0 К,

- эффективная масса дырок,

-температурный коэффициент ширины запрещенной зоны.

Определение температуры перехода в собственное состояние представлено на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Температура собственного состояния

T_i= 1121К

Теоретически рассчитанный температурный режим работы прибора от 715 К до 1121 К, не соответствует температурному режиму работу полупроводниковых приборов на основе германия, поэтому в качестве диапазона рабочих температур был выбран рабочий диапазон температур германиевых приборов от -60 °С до +70 °С [6].

2.2 Расчет электрических параметров

Формула для расчета подвижности носителей заряда:

(3.4)

где - концентрация рассеивающих центров.

Расчет подвижности электронов:

(3.5)

Формулы для расчета эффективной плотности состояния в зоне валентности и в зоне проводимости:

(3.6)

(3.7)

Расчет эффективной плотности состояний в зоне валентности:

Расчет эффективной плотности состояний в зоне проводимости:

Формула для расчёта ширины запрещенной зоны:

(3.8)

Расчет ширины запрещенной зоны:

Формула для расчёта уровня ферми:

(3.9)

Расчет уровня ферми:

2.3 Расчет электрофизических параметров

Толщина канала d определяется по величине допустимого тока. I_cmax и предельно допустимой плотности тока в полупроводнике[7]по формуле:

(3.10)

где = 10 мА,

j_доп=100 А/см²;

- ширина канала.

Удельное сопротивление определяется по формуле:

(3.11)

где - заряд электрона,

-собственная концентрация.

Сопротивление канала определяется по формуле:

 (3.12)

Емкость затвора определяется по формуле:

(3.13)

где - диэлектрическая проницаемость диэлектрика,

- диэлектрическая постоянная,

= 10 мкм - длинна канала,

- толщина диэлектрика.

Удельная емкость затвора определяется по формуле:

(3.14)

Разность энергий между серединой запрещенной зоны и уровнем ферми определяется по формуле:

 (3.15)

Пороговое напряжение U_пор, при котором транзистор открывается и происходит передача тока стока:

(3.16)

2.4 Расчет дифференциальных параметров транзистора

Крутизна S, её определяют по передаточной характеристике, заменяя бесконечно малые приращения конечными.

Крутизна рассчитывается по формуле:

 (3.17)

Крутизна полевого транзистора при трёх температурах представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Крутизна полевого транзистора

Внутреннее сопротивление транзистора характеризует влияние напряжения стока на ток стока.

Внутреннее сопротивление определяется по формуле:

(3.18)



Коэффициент усиления характеризует сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока. Он равен отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковые по величине и противоположные по знаку приращения тока стока.

Дифференциальные параметры полевого транзистора связаны между собой соотношением:

(3.19)

2.5 Расчет передаточной характеристики в области насыщения

Зависимость выходного тока стока I_cот управляющего напряжения на затворе U_зи (при U_cи=const) называется проходной или передаточной характеристикой.

Оно связывает входное управляющее напряжение U_зи и выходной ток I_cии определяет эффективность управления по затвору.

Характеристика задается выражением:

 (3.20)

Передаточная характеристика транзистора при трёх температурах представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Передаточная характеристика транзистора

Передаточная характеристика в активной усилительной области работы МДП-транзистора хорошо описывается крутизной[1].

2.6 Расчет выходных характеристик

Изменение напряжения стока позволяет определить в первом приближении вид выходной вольт-амперной характеристики транзистора, т.е. зависимости выходного тока - тока стока I_cиот выходного напряжения - напряжения стока U_си.

Характеристика задается выражением:

 (3.21)

Где U_з=0-15 В диапазон напряжения затвора;

U_с=0-10 В диапазон напряжения стока.

При напряжении стока, равном напряжению насыщения U_си=U_синас, ток стока достигает насыщения:

Выходные характеристики при трех температурах представлены на рисунках3.5, 3.6, и 3.7.

Рисунок 3.5 - Выходная характеристика транзистора при Т=213К

Рисунок 3.6 - Выходная характеристика транзистора при Т=300К



Рисунок 3.7 - Выходная характеристика транзистора при Т=343К

С увеличением напряжение U_зи сопротивление канала уменьшается и ток стока I_cвозрастает - характеристика идет выше [1].

2.7 Расчет мощности рассеяния, частоты и выбор корпуса

Рассчитаем допустимую мощность:

(3.22)

Рассчитаем предельную частоту крутизны:

(3.23)

Для оценки возможности создания полевого транзистора с рассчитанными параметрами, подберем аналог. С помощью интернет источника [8] найдем полевые транзисторы, обладающие схожими характеристиками с расчетным транзистором.

Таблица 3.1 - Сравнение параметров рассчитанного транзистора и аналогов

Параметры	расчетный	КП327А	КП302А1	КП301Г
Материал	Ge	Si	Si	Si
Тип	n	n	n	p
Pдоп, мВт	590	200	300	200
Ucи, В	15	14	20	20
Uзи, В	15	5	10	30
Iдоп, мА	38,4	30	24	15
Tmax, °С	70	85	100	70
Cзи, пФ	0,248	2,33	20	3,5
Параметры	расчетный	КП327А	КП302А1	КП301Г
R, Ом	0,326	0,09	-	-
Fпред, МГц	3588	-	150	100
Корпус	КТ-26	КТ-29	КТ-26	КТ-1-14

Как видно из таблицы транзистор КП302А1 наиболее близок по параметрам к расчетному транзистору, поэтому этот транзистор был выбран в качестве аналога.

Транзистор КП327А выпускается в пластмассовом корпусе с гибкими полосковыми выводами, чертеж представлен на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Чертеж корпуса КТ-26

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполнения курсового проекта были приобретены теоретические и практические навыки решения инженерных задач.

Рассмотрены основные понятия и принцип работы полевого транзистора. Были изучены основные параметры и характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом.

На основе полученных теоретических сведений были проведены анализ и расчеты параметров и зависимостей полевого транзистора. Рассчитан диапазон рабочих температур прибора [-60 °C… + 70 °C].

Основные параметры полевого транзистора рассчитанные в ходе работы:

Толщина индуцируемого канала

Емкость затвора

Сопротивление канала

Пороговое напряжение

Крутизна

Выходное сопротивление

Коэффициент усиления

Предельная частота

Максимально допустимая мощность

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1) Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов/ Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; Под ред. В. А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат,1990. - 576 с.:ил.

2) Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов 6-у изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2002. - 480 с., ил. - (Учебник для вузов. Специальная литература).

3) Троян П.Е. Твердотельная электроника: Учебное пособие. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2006. - 321 с.

4) Полевые Транзисторы: Составители С.В. Тихов, П.А. Шиляев. Практикум. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2013. - 28 с.

5) Шалимова, К.В. Физика полупроводников: учебник/ К.В. Шалимова. - 4-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2010. - 400 с.

6) Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. Издание шестое, переработанное. Л., «Энергия», 1977 352 с, с ил.

7) Троян П.Е. Микроэлектроника: Методические указания по курсовому проектированию. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2003.

8) Официальный сайт компании ООО "Электроника и связь".https://eandc.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=104

Размещено на Allbest.ru