Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Структура металл-диэлектрик-полупроводник

В МДП-транзисторе с поликремниевым затвором рассчитать и построить зависимость порогового напряжения как функции концентрации примесных атомов (ND или NA) в подложке из кремния соответствующего типа проводимости. Диэлектрик – SiO2. Влиянием поверхностных состояний на границе раздела "диэлектрик-полупроводник" пренебречь.

Основываясь на данных расчета, построить энергетическую диаграмму МДП-структуры с заданной концентрацией примесей в кремнии NDi или NAi в режиме сильной инверсии.

Рассчитать величину дифференциальной емкости МДП-структуры в данном транзисторе в режимах сильной инверсии и обогащения.

Численные значения исходных данных, необходимых для выполнения задания по вариантам 6.1 – 6.5, а также 7.1 – 7.5 представлены в табл. 6 и табл. 7, соответственно.

Таблица 6

№ вариан-та

Тип затвора: вырож-денный полик-ремний

Толщи-на окисла,

нм

Т,

К

Диапазон изменения величины концентрации примесей

Nd,

см-3

NDi,

см-3

6.1

p+

80

280

(1013–1017)

1,5×1016

6.2

n+

90

290

(1013–1017)

2×1016

6.3

p+

100

300

(1013–1017)

3×1016

6.4

n+

110

310

(1013–1017)

4×1016

6.5

p+

120

320

(1013–1017)

5×1016

Таблица 7

№ вариан-та

Тип затвора: вырож-

денный поли-кремний

Толщи-

на окисла, нм

Т,

К

Диапазон изменения величины концентрации

примесей

NA, см-3

NAi,

см-3

7.1

n+

100

250

(1013–1017)

1,5×1016

7.2

p+

120

270

(1013–1017)

2×1016

7.3

n+

140

290

(1013–1017)

3×1016

7.4

p+

160

320

(1013–1017)

4×1016

7.5

n+

180

340

(1013–1017)

5×1016

Задание к вопросу о методе формирования

полупроводниковой структуры

(6.1 – 6.5)

6.1. Технология изготовления МОП-транзистора с каналом p-типа.

6.2. Технология изготовления комплементарных МОП-транзисторов.

6.3. Конструктивно-технологические методы управления зарядом в подзатворном диэлектрике МДП-структуры.

6.4. МНОП-технология в производстве МДП-транзисторов.

6.5. Технология изготовления МОП-транзистора с поликремниевым затвором.

Задание к вопросу о методе формирования

полупроводниковой структуры

(7.1 – 7.5)

7.1. Применение метода ионной имплантации в технологии МОП-транзисторов.

7.2. Метод изготовления МОП-транзистора с использованием структур “кремний на сапфире” (КНС).

7.3. Метод изготовления МДП-транзисторов с исполь-зованием D-МОП-структур.

7.4. Метод изготовления МДП-транзисторов с исполь-зованием V-МОП-структур.

7.5. Технологический контроль в производстве МДП-транзисторов методом вольт-фарадных характеристик.

5. некоторые Примеры расчетов электрофизических характеристик полупроводниковых структур

Пример 1. В германиевом р-n-переходе удельная проводимость р-области σр=104 См/м и удельная проводимость n-области σn=102 См/м. Подвижности электронов μn и дырок mp в германии соответственно равны 0,39 и 0,19 м2/(В×с). Концентрация собственных носителей в германии при Т=300 К составляет ni=2,5×1019м-3. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т=300 К.

Решение

Для материала р-типа σp=qρpmр. Отсюда концентрация дырок в p-области

рр=σp/(qmр)=104/(0,19×1,6×10-19)=3,29×1023м-3.

Аналогично для материала n-типа

nn=σn/(qmn)=100/(0,39×1,6×10-19)=1,6×1021м-3.

Концентрация дырок в n-области

pn=пi2/пп=(2,5×1019)2/(1,60×1021)=3,91×1017м-3.

Тогда контактная разность потенциалов

Пример 2. Используя данные и результаты расчетов задачи из примера 1, найти плотность обратного тока насыщения, а также отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной, если диффузионные длины для электронов и дырок Ln = Lp = 1×10-3м.

Решение

Плотность обратного тока насыщения

.

Из предыдущей задачи

рп=3,91×1017м-3;

np=ni2/рр=1,9×1015м-3.

Используя соотношение Эйнштейна

Dp=(kT/q)mp и Dn=(kT/q)m .

Следовательно,

Отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной составляющей равно

I0p/I0n=μppnLn/(μnppLp)=0,19×3,91×1017/(0,39×1,9×1015)=100.

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Схема с общим эмиттером с ключевым режимом работы транзистора применяется для промежуточного усиления, как схема сигнализации, как схема питания электромагнитного реле. Такая схема является основой интегральных логических элементов.

Свойства транзистора как усилителя тока описываются уравнением: Iк=h21Э×Iб, где h21Э>10. Из этого уравнения видно, что регулируя сравнительно небольшой ток базы, можно управлять значительным током нагрузки, расположенной в коллекторе транзистора. Максимальный ток коллектора, который можно получить в схеме с коллекторной нагрузкой, равен:

Iк max≈Uпит/Rк .

Максимальному току коллектора соответствует максимальный ток базы Iб max. Дальнейшее увеличение тока базы не приведет к увеличению тока коллектора, т.к. транзистор полностью открыт, падение напряжения на нем близко к нулю и он не определяет ток коллектора. Принято говорить, что он находится в состоянии насыщения. Это состояние характеризуется коэффициентом насыщения. Коэффициент насыщения характеризует превышение реального базового тока над требуемым. Он равен отношению Iб/Iб max. Его величина всегда больше единицы. Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньше будет напряжение коллектор–эмиттер и тем меньше будут тепловые потери в транзисторе. Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью – в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора, когда прекращается ток базы. При выключении транзистора в цепь базы подается отрицательное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным Iб выкл. Пока происходит рассасывание неосновных носителей в базе, токи коллектора и базы не меняют своего значения, а транзистор находится в открытом состоянии. Это время называется временем рассасывания tрас. После окончания процесса рассасывания происходит спад отрицательного тока базы и спад протекавшего через транзистор тока коллектора – время спада tсп. Время выключения транзистора tвыкл равно:

tвыкл= tрас+ tсп.

Минимальное время выключения получается, если в базу транзистора до момента выключения подавался ток пограничного режима насыщения Iб≤Iб max.

Для объяснения ключевого режима работы используют выходные характеристики. В точке А транзистор выключен (или ключ разомкнут), в точке В транзистор включен (ключ замкнут). Чтобы получить точку В, необходимо обеспечить соответствующий ток базы.

В точке А:

Uкэ=Uп-Rк×Iко; Iк=Iко.

В точке В:

Uкэ»0,1В;  Iк=(Uп-Uкэ)/Rк.

В расчетах обычно пренебрегают величинами Iко»0, Uбэ»0,6В и Uкэ»0,1В. Обычно в открытом состоянии транзистора ток Iк задан. Требуемый ток базы Iб=Iк/h21Э обеспечивается базовой цепью

Iб =(Uб-Uбэ)/Rб.

Uбэ»0,6В, тогда

Rб=(Uб-0,6)/Iб;

Iк=(Uп-Uкэ)/Rк; Uкэ»0,1В.

Т. к. h21Э может меняться от значений Iк, от температуры, от времени, то ток базы Iб приходится задавать с запасом. При расчете Iб исходят из величины h21Эmin/(1,5...2).  Число 1,5... 2 - это коэффициент насыщения.

Работу транзистора в точках А и В принято характеризовать следующими терминами:

точка А - состояние отсечки (отсечен ток коллектора);

точка В - состояние насыщения (транзистор открыт полностью).

Переход из состояния в состояние происходит скачком.


На главную