Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТ МОП-ТРАНЗИСТОРА



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Аналитический обзор

1.1 Виды транзисторов

1.2 Полевой транзистор

1.3 Применение МОП-транзисторов

1.4 Классификация транзисторов

1.5 Маркировка полевых транзисторов

1.6 Принцип работы МОП-транзистора

1.7 Выводы по главе 1

Глава 2. Основная часть

2.1 Выбор корпуса

Вывод по главе 2

Выводы по работе

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые устройства прочно занимают особое место в технике и быте сегодняшнего дня. Полупроводниковая электроника представляет собой обширную область науки и техники, охватывающую большой круг вопросов получения и исследования полупроводниковых материалов, проектирования и производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также построения устройств и систем на их основе. Изделия полупроводниковой электроники образуют элементную базу современной вычислительной техники, автоматики, радиоэлектроники и силовой полупроводниковой преобразовательной техники. Изобретение в 1948 году транзистора определило на многие годы пути развития микроэлектроники.

Успехи технологии полупроводниковых приборов в начале 60-х годов способствовали созданию интегральных микросхем, объединяющих в одном полупроводниковом кристалле десятки, сотни и тысячи элементарных полупроводниковых приборов: диодов, резисторов, биполярных и полевых транзисторов. Одновременно с разработкой приборов новых типов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления. В первой половине 50-ых годов был разработан процесс диффузии примесей в полупроводниковые материалы, и в 1956 г. Началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии. Важным достижением стало появление в начале 60-ых годов планарного процесса.

В настоящее время процесс совершенствования полупроводникового производства идёт по пути улучшения технологии, использования новых полупроводниковых материалов, разработки новых технологических процессов и методов. Транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем[1].

Актуальность

Цель данного проекта является расчет параметров и характеристик МОП транзистор на основе дырочного кремния, со встроенным каналом.

Подтверждения актуальности МОП транзисторов является рост количества патентов, это говорить о том сто инженеры заинтересован в данном полупроводников приборе.

Таблица 1 Патенты в Российской Федерации

Год	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018
Кол-во	63	67	51	94	84	97	116	90	108	124	103	67	58	38
Сумма	63	130	181	275	359	456	572	662	770	894	997	1064	1122	1160

На рисунке 1 представлена гистограмма, по данным таблицы 1 показывающая актуальность темы в России в разные года на протяжении 14 лет основываясь на данных Яндекс патент [2].

Рисунок 1 - Суммарная тенденция патентов

Рисунок 2 - Количество патентов по годам

Из рисунка 1 видно, что суммарная количество патентов с использование МОП транзистора с каждым годом растет, следовательно, тема актуальна, на рисунке 2 видно, что до 2014 года наблюдается рост количества патентов, а после 2014 года спад, это спад можно объяснить кризисом, наступившим в конце 2014 года. Также в ближайшие годы должен начаться рост актуальность МОП транзисторов в связи с переход отрасли энергетики на силовые полупроводниковые приборы включая и силовые МОП транзисторы.



ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Транзистор - это полупроводниковый триод - радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем [3].

1.1 Виды транзисторов

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. В таких транзисторах перенос электрического тока через кристалл полупроводника обусловлен движением носителей заряда обоих знаков - электронов и дырок. Конструктивно транзисторы представляет собой часть монокристаллической полупроводниковой пластины - кристалл, в котором созданы три области с электронной и дырочной электропроводностью, разделенные двумя p-n переходами. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы n-p-n типа и p-n-p типа рисунок 1.1. Среднюю область, которую делают более тонкой, называют базой, две другие - эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора эмиттерным и коллекторным p-n переходами. В область базы происходит инжекция неосновных для нее носителей заряда из области эмиттера. Назначением области коллектора является экстракция носителей заряда из базы. От областей базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы. Ток протекает через биполярный транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через p-n переход. Управление током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которого зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

Рисунок 1.1 - Биполярные транзисторы в усилительной схеме и их условные графические изображения

1.2 Полевой транзистор

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применятся только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода

1.3 Применение МОП транзисторов

МОП транзисторы применяются в качестве аналоговых ключей. МОП-транзисторы являются отличными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением. По своим качествам такие ключи гораздо лучше ключей на биполярных транзисторах.

Цифровые микросхемы. МОП-транзисторы доминируют при построении микропроцессоров, схем памяти и большинства высококачественных цифровых логических схем. Микромощные логические схемы изготавливаются исключительно на МОП-транзисторах.

Мощные переключатели. Мощные МОП-транзисторы часто бывают предпочтительнее биполярных транзисторов для переключения нагрузок, в первую очередь из-за того, что в полевых транзисторах практически отсутствует входной ток и мощность управляющих сигналов чрезвычайно мала[4].

1.4 Классификация транзисторов

Классификация. В зависимости от типа проводимости канала различают полевые транзисторы с каналом типа p и типа n, а в зависимости от способа выполнения затвора - с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Условное графическое обозначение полевых транзисторов представлено в таблице 3.1 [5].



Таблица 1.1 - Классификация полевых транзисторов

Тип затвора	Канал n-типа	Канал p-типа
С управляющим p-n переходом
Тип затвора	Канал n-типа	Канал p-типа
С изолированным затвором и встроенным каналом
С изолированным затвором и индуцированным каналом

1.5 Маркировка полевых транзисторов

Рассмотрим способы маркировки полевых транзисторов на примере транзистора КП 312А:

· первая буква «К» - обозначение материала (К - кремний, А - арсенид галлия GaAs).

· вторая буква «П» - указывает, что транзистор полевой.

· первая цифра «3» - указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную частоту.

· вторая и третья цифры «12» - номер разработки.

· последняя буква «А» - параметр.

1.6 Принцип работы МОП транзистора

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл - диэлектрик - полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод - затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия [6].

На рисунке 1.2 представлен полевой транзистор со структурой металл - диэлектрик - полупроводник.

Рисунок. 1.2 - Полевой транзистор со структурой металл - диэлектрик - полупроводник

Обогащение состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация основных носителей больше, чем концентрация основных носителей в нейтральном объеме

Обеднение состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей меньше, чем концентрация основных носителей в нейтральном объеме, но больше, чем поверхностная концентрация неосновных носителей

Слабая инверсия состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем поверхностная концентрация основных, но меньше, чем концентрация основных носителей в нейтральном объеме

Сильная инверсия состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей в нейтральном объеме.

1.7 Выводы по главе 1

В данной главе были рассмотрены виды транзисторов, а именно: биполярный транзистор, полевой транзистор. Рассмотрены классификация, маркировка принцип и режимы работы МДП транзистора.



ГЛАВА 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Цель данной курсовой работы - расчет полевого транзистора типа МОП на основе дырочного кремния со встроенным каналом.

Найдем концентрацию основных носителей заряда[7]:

, (2.1)

где подвижность дырок, 500;

концентрация легирующей примеси, ;

параметр формулы, для кремния, ;

- параметр формулы для кремния, =452 ;

- параметр формулы, для кремния = ;

- - параметр формулы, для кремния .

Выразим из формулы 1.1 концентрацию легирующей примеси :

, (2.2)

.

Расчет температуры перехода полупроводника из примесного состояния в собственное состояние T_i:

(2.3)

где - ширина запрещённой зоны, для кремния при Т=300, ;

k - постоянная Больцмана;

- эффективная масса электронов, для кремния ;

m_p - эффективная масса дырок, для кремния ;

h - постоянная Планка;

температурный коэффициент ширины запрещённой зоны, для кремния ;

- концентрация носителей заряда, .

Расчет температуры истощения примеси T_s:

(2.4)

где E_a - глубина залегания примеси, в качестве примеси сера, E_a=0,18 эВ [8].

По формулам 2.1 и 2.2 в Mathcad через функцию solve были рассчитаны температуры: T_i=471 К и T_s=197 К.

Рассчитаем крутизну, где :

_, (2.5)

гРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

де - диэлектрическая постоянная, Ф/м;

- диэлектрическая проницаемость, для кремния равна 11,3;

- напряжение затвор исток;

- пороговое напряжение.

.

Таблица 2.1 - Расчёт крутизны

Uзи, В	S, мА/В
-4,5	7,6561
-4	7,2136
-3,5	6,7711
-3	6,3286
-2,5	5,8861
-2	5,4436
Продолжении таблицы 2.1
Uзи, В	S, мА/В
-1,5	5,0011
-1	4,5586
-0,5	4,1161
0	3,6736
0,5	3,2311
1	2,7886
1,5	2,3461
2	1,9036
2,5	1,4611
3	1,0186
3,5	0,5761
4	0,1336

На рисунок 2.1 представлена зависимость крутизны от напряжения на затворе.

Рисунок 2.1 - Зависимость крутизны от напряжения на затворе

Рассчитаем пороговое напряжение:

, (2.6)

где - потенциал Ферми;

- плотность поверхностного заряда, задаем ;

- плотность заряда в ОПЗ;

- удельная емкость между затвором и подложкой;

- контактная разность потенциалов в МДП структуре, равная -0,95 В [9].

.

Рассчитаем удельную емкость между затвором и подложкой:

, (2.7)

.

, (2.8)

где - температурный потенциал, рассчитываемый по следующей формуле:

, (2.9)

.

, (2.10)

.

где - ширина ОПЗ, которая находится по следующей формуле:

, (2.11)

.

где U - напряжение на ОПЗ, рассчитываемое по следующей формуле:

, (2.12)

.

Формула для расчета максимальной рабочий частоты:

, (2.13)

где - ёмкость затвор - канал, которая находится по формуле:

, (2.14)

.

По формуле 2.13 найдем максимальную рабочую частоту.

.

Рассчитаем мощность рассевания по следующей формуле:

Рассчитаем передаточную характеристику, задавая значения U_зи:

, (2.15)

Таблица 2.2 - Передаточная характеристика

Uзи, В	, мА
3,5	0,000695
4	0,009728
4,5	0,050013
5	0,121549
5,5	0,224337
6	0,358376
6,5	0,523667
Uзи, В	, мА
7	0,720209
7,5	0,948003
8	1,207049
8,5	1,497346
9	1,818894
9,5	2,171694
10	2,555746

На рисунке 2.2 представлена передаточная характеристика.

Рисунок 2.2- Передаточная характеристика

Рассчитываем выходные характеристики по формуле:

, (2.16)

В таблице 2.3 представлено семейство выходных характеристик.

Таблица 2.3 - Семейство выходных характеристик

Uзи=6 В	Uзи=8 В	Uзи=10 В
Uси,В	Ic, мА	Uси,В	Ic, мА	Uси,В	Ic, мА
0,1	0,029	0,1	0,0544	0,1	0,0794
0,34	0,095	0,54	0,2788	0,74	0,5578
0,58	0,153	0,98	0,479	1,38	0,985
0,82	0,204	1,42	0,655	2,02	1,361
1,06	0,248	1,86	0,8068	2,66	1,6858
1,3	0,284	2,3	0,9344	3,3	1,9594
1,54	0,314	2,74	1,0378	3,94	2,1818
1,78	0,336	3,18	1,117	4,58	2,353
2,02	0,351	3,62	1,1837	5,22	2,473
2,26	0,366	4,06	1,2268	5,86	2,5672
2,5	0,366	4,5	1,2268	6,5	2,5926
2,74	0,366	4,94	1,2268	7,14	2,5926
2,98	0,366	5,38	1,2268	7,78	2,5926
3,22	0,366	5,82	1,2268	8,42	2,5926
3,46	0,366	6,26	1,2268	9,06	2,5926
3,7	0,366	6,7	1,2268	9,7	2,5926
3,94	0,366	7,14	1,2268	10,34	2,5926
4,18	0,366	7,58	1,2268	10,98	2,5926
4,42	0,366	8,02	1,2268	11,62	2,5926
10	0,366	10	1,2268	10	2,5926

На рисунке 2.3 представлено семейство выходных характеристик при напряжении U_зи = 6 В, U_зи = 8 В, U_зи = 10 В соответственно.

Рисунок 2.3 - Семейство выходных характеристик

Рассчитаем выходную проводимость по следующей формуле[2]:

(2.17)

.

Рассчитаем дифференциальное сопротивление:

(2.18)

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

, (2.19)

2.1 Выбор корпуса

При выборе корпуса следует учитывать следующие параметры:

.

В таблице 2.4 представлены рассчитанные значения параметров рассчитанного МОП транзистора.

Таблица 2.4 - Рассчитанные значения параметров рассчитанного МОП транзистора

	15
	10
	150
	125

По данным из таблицы 2.4 наиболее близким к нашим параметрам подходит корпус STO-23B [11].

В таблице 2.5 представлены максимальные значения параметров корпуса STO-23B [12].

Таблица 2.5 - Максимальные значения параметров корпуса STO-23B

	50
	10
	225
	150

На рисунке 2.4 представлен изображении корпуса STO-23B.

Рисунок 2.4 - Корпус STO-23B



На рисунке 2.5 представлена конструкция корпуса STO-23B.

Рисунок 2.4 - Конструкция корпуса STO 23



Вывод по главе 2

В данной главе был выполнен расчет полевого транзистора типа МОП на основе дырочного кремния со встроенным каналом: найдена концентрация легирующей примеси в канале, пороговое напряжение, рассчитан диапазон рабочих температур, который удовлетворяет нормальным условиям, найдена емкость затвор - канал, рассчитана крутизна и построен график зависимости крутизны от напряжения, найдено динамическое сопротивление, коэффициент усиления, мощность рассеяния от напряжения сток - исток.

Было построено семейство выходных характеристик и передаточная характеристика. После расчета был произведен выбор корпуса по максимальным значениям рассчитанного транзистора.

транзистор полевой канал кремний



ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В данной работе был произведен анализ актуальности (с 2005 по 2019 года) темы и сделан вывод, что в настоящее время сами транзисторы и их виды, такие как МОП - транзисторы, имеют большую актуальность, на что указывает ежегодный рост количества упоминаний.

В главе 1 рассмотрены основные виды транзисторов: биполярные транзисторы, полевые транзисторы. Рассмотрены их конструкция, особенности и применение в настоящее время.

В главе 2 был выполнен расчет полевого транзистора типа МОП на основе дырочного кремния со встроенным каналом: найдена концентрация легирующей примеси в канале, пороговое напряжение, рассчитан диапазон рабочих температур, который удовлетворяет нормальным условиям, найдена емкость затвор - канал, рассчитана крутизна и построен график зависимости крутизны от напряжения, также найдено динамическое сопротивление, коэффициент усиления, а также мощность рассеяния от напряжения сток - исток. Было построено семейство выходных характеристик, а также передаточная характеристика. После расчета был произведен выбор корпуса STO-23B по максимальным значениям рассчитанного транзистора.

В таблице 3.1 представлены рассчитанные параметры полевого транзистора типа МОП со встроенным каналом на основе дырочного кремния.

Таблица 3.1 - Параметры рассчитанного МОП - транзистора

Ts, К	Ti, К	Uотс, В	Na, м-3	Cзк, пФ	Pmax, мВ
197	471	4,51	1,4•1020	1,77	150



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Шунков, В. Hab.com [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://habr.com/ru/post/448320/ (дата обращения: 27.09.2019).

2. Яндекс Патент [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://yandex.ru/patents (дата обращения: 28.11.2019).

3. Википедия - Транзистор [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 28. 09. 2019).

4. Электронщик [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://elektronchic.ru/ (дата обращения: 28.11.2019).

5. StudFiles [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studfile.net/preview (дата обращения: 13. 10. 2019).

6. Гуртов, В. А Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов; ПетрГУ. - Петрозаводск, 2004. - 312 с.

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

8. Шалимова, К. В. Физика полупроводников /К. В. Шалимова. - 4-е изд. стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2010. - 400 c.

9. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования / М. Г. Крутякова, Н. А. Чарыков, В. В. Юдин. - М.: Радио и связь, 1983. - 352 с.

10. МДП - транзисторы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://poznayka.org/s70715t1.html (дата обращения: 01. 10. 2019).

11. База данных электронных компонентов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.icinform.ru/compcard/ (дата обращения: 19.11.2019).

12. Рахно, Е. CMOS LDO стабилизаторы серии MPC170x Microchip: Gamma радиокомпоненты - Днепропетровск. 2008. - 59 с.

Размещено на Allbest.ru

...