РОЗРАХУНОК БЕЗДРЕЙФОВОГО БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.. Курсова робота з Твердотільна електроніка. Робота № 202828

Перехід до торгівельного партнера Binance

РОЗРАХУНОК БЕЗДРЕЙФОВОГО БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2007

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

Твердотільна електроніка

Група:

ЕЛ-3

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВівСЬКА ПОЛІТЕХНІКА” Курсова робота з твердотільної електроніки на тему: «РОЗРАХУНОК БЕЗДРЕЙФОВОГО БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА» Виконала: ст.гр.ЕЛ-3 Прийняв: Львів-2007 В С Т У П Курсова робота з курсу “Твердотільна електроніка” виконується студентами ІІІ-го курсу базового напрямку 6.0908 “Електроніка” на протязі V-го семестру. Виконання курсової роботи ставить своєю метою закріпити і розширити теоретичні знання, отримані студентами з курсу “Твердотільна електроніка”, розвинути вміння використовувати ці знання при вирішенні конкретних науково-конструкторських задач. При виконанні курсової роботи студенти повинні проявити вміння користуватись методами аналізу і розрахунку напівпровідникових біполярних приладів, вміння використовувати літературні джерела і довідкові матеріали. Тематика курсових робіт включає наступні напрямки: 1) розрахункові роботи, присвячені числовим розрахункам параметрів і характеристик біполярних напівпровідникових приладів, визначенню і аналізу залежностей параметрів приладів від зовнішніх умов, конструктивних особливостей і режимів роботи; 2) експериментальні роботи присвячені розробці і створенню лабораторних макетів та установок для визначення параметрів і характеристик напівпровідникових приладів. Завдання і вихідні дані для розрахунку напівпровідникових приладів з курсової роботи видаються викладачем – керівником курсової роботи на протязі першого тижня V-го семестру. Курсова робота є підсумковою роботою, при виконанні якої перевіряється вміння самостійно використовувати студентами отриманих знань при вивченні відповідних розділів курсу, який супроводжується лекційними, практичними і лабораторними заняттями. Для успішного засвоєння курсу “Твердотільна електроніка” необхідно мати знання з основ фізики напівпровідників і діелектриків, які розглядаються в попередніх дисциплінах “Фізика напівпровідників та діелектриків” та інші. В методичних вказівках до виконання курсової роботи описані основні вимоги, які необхідно знати студентам при оформленні тексту пояснювальної записки курсової роботи. Приведені методики розрахунку і елементи конструювання біполярних напівпровідникових приладів, а також наведені довідкові дані для типових матеріалів, які найбільше використовуються для створення біполярних напівпровідникових приладів. 1. Розрахунок НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА В СТАТИЧНОМУ І ДИНАМІЧНОМУ РЕЖИМАХ 1.1. Завдання до курсової роботи з розрахунку напівпровідникового діода в статичному і динамічному режимах В завданні до курсової роботи вказується: структура напівпровідникового діода; конструктивні особливості напівпровідникового діода; геометричні розміри елементів діода; електрофізичні параметри елементів діода; перелік параметрів і характеристик, які необхідно розрахувати при виконанні курсової роботи. 1.1.1. Структура напівпровідникового діода Пiд напiвпровiдниковим дiодом будемо розумiти напiвпровiдниковий прилад, що складається з випрямляючого переходу i двох омiчних контактiв, за допомогою яких перехiд пiд'єднується до електричної схеми. Випрямляючим переходом може бути електронно-дiрковий перехiд (p-n-перехiд), гетероперехiд або випрямляючий перехiд, утворений на контактi метал-напiвпровiдник (бар'єр Шотткi). Здебiльшого напiвпровiдниковi дiоди мають несиметричнi p-n-переходи (p+-n або p – n+-переходи). Пiд час прикладання зовнiшньої напруги, за якої знижується потенцiйний бар'єр, тобто пiд час прямого увiмкнення p-n-переходу, кiлькiсть носiїв заряду, iнжектованих iз сильнолегованої в слаболеговану область, значно вища вiд кiлькостi носiїв, що проходять в протилежному напрямку. Вiдповiдно, область напiвпровiдникового дiода, в яку проходить iнжекцiя неосновних для цiєї областi носiїв заряду, називають базою дiода. Пiд час зворотного увiмкнення дiода спостерiгається пiдвищення потенцiйного бар'єра в p-n-переходi, екстракцiя неосновних носiїв заряду буде проходити, в основному, iз бази дiода. Таким чином, слаболегована область p-n-переходу - база дiода може суттєво впливати на характеристики i параметри дiода. На рис.1. наведена структура напiвпровiдникового дiода з несиметричним p-n-переходом. x= 0 x=Wo x 1 2 3 1 p+ n Рис.1. Структура напiвпровiдникового дiода з p+-n-переходом: 1 - омiчний перехiд; 2 - випрямляючий перехiд; 3 -база дiода Залежно вiд спiввiдношення лiнiйних розмiрiв випрямляючого переходу i дифузiйної довжини неосновних носiїв заряду розрiзняють площиннi та точковi дiоди. 1.1.2. Конструктивні особливості напівпровідниковий матеріал діода (наприклад, кремній, германій або арсенід галію); тип p-n-переходу за розподілом концентрації домішки (наприклад, різкий або лінійний); тип провідності бази діода (наприклад, p- або n- типу); геометрія діода – паралелепіпед з квадратною основою і заданою товщиною базової області. 1.1.3. Геометричні розміри елементів діода площа p-n-переходу (наприклад, Аpn = 10-1÷ 1мм2 ); товщина бази в області діода (наприклад, W=0,1 EMBED Equation.3 0,8 мм); 1.1.4. Електрофізичні параметри елементів приладу питомий опір р-області p-n-переходу (наприклад, для германієвих діодів р = 10-310-2 Ом· см , для кремнієвих діодів - р =10-210-1 Ом· см); питомий опір n-області p-n-переходу (наприклад, для германієвих діодів р =12 Ом· см , для кремнієвих діодів – n =510 Ом· см); час життя неосновних носіїв заряду в базі діода , (наприклад, р = 2060 мкс) ; максимальна величина зворотної напруги при перемиканні діода (Uзв = 5÷10 В); опір навантаження при перемиканні діода в схемі з генератором струму (наприклад, Rн = 1÷10 кОм); інтервал робочої температури навколишнього середовища (наприклад, для Ge- 40о ÷70оС; для Si - 40о ÷120оС); рухливість носіїв заряду (наприклад, для Ge - µn = 3900 см2/Вс і µр = 1900 см2/Вс, ; для Si - µn = 1400 см2/Вс і µр = 500 см2/Вс). 1.1.5. В процесі розрахунку необхідно визначити: - концентрацію рівноважних основних і неосновних носіїв заряду в p- і n- областях p-n-переходу; енергію Фермі для p- і n- областей p-n-переходу; ширину області просторового заряду p-n-переходу і її залежність від прикладеної напруги та побудувати графік; контактну різницю потенціалів та побудувати енергетичну діаграму p-n-переходу; бар’єрну ємність p-n-переходу в залежності від напруги і побудувати графік вольт-фарадної характеристики діода; густину теплового струму і її залежність від температури та побудувати графік для рекомендованого діапазону температур; залежність диференціального опору діода від температури і напруги і побудувати графіки; залежність опору постійного струму від температури і напруги та побудувати графіки; розподіл нерівноважних неосновних носіїв заряду в базі діода від координати для напруги Uзв=0,5 к; дифузійної ємності від величини прямого струму і побудувати графік; напругу пробою p-n-переходу і обґрунтувати механізми пробою в напівпровідникових діодах; розрахувати і побудувати вольт-амперну характеристику діода для ідеального випадку а також з врахуванням опору бази; побудувати еквівалентну схему заміщення діода і обґрунтувати значення елементів схеми; розрахувати час перемикання діода з прямого ввімкнення на зворотнє в колі з генератором струму і побудувати часову діаграму зміни струму діода. 1.2. Розрахунок концентрації рівноважних носіїв заряду і енергії Фермі для p- і n- областей p-n-переходу Розташування рiвня Фермi, ймовiрнiсть знаходження на якому носiїв заряду (електрона або дiрки) дорiвнює 1/2, визначається типом домiшки i її концентрацiєю. Для невироджених напiвпровiдникiв n- i р-типу провiдностi рiвень Фермi визначається вiдповiдно такими спiввiдношеннями: Тут nno i ррo -рiвноважнi концентрацiї основних носiїв заряду- електронiв в напiвпровiднику n-типу i дiрок в напiвпровiднику р-типу провiдностi вiдповiдно. Як видно з (1) i (2), в напiвпровiднику n-типу рiвень Фермi розташований вище вiд середини забороненої зони (ЕFn > Ei), а в напiвпровiднику р-типу - нижче вiд Ei. Оскiльки рiвень Фермi залежить вiд kТ i ni, то вiн є функцiєю вiд температури. Для невироджених напiвпровiдникiв концентрацiя електронiв в зонi провiдностi i дiрок у валентнiй зонi визначається спiввiдношеннями: де EMBED Unknownвизначають ефективну густину станiв в зонi провiдностi i валентнiй зонi. За фiзичним змiстом Nc максимально можлива концентрацiя електронів в зоні провiдностi невиродженого напiвпровiдника при ЕF Ес. Аналогiчно Nv -це максимально можлива концентрацiя дiрок у невиродженому напiвпровiднику при ЕF Еv. Добуток концентрацiй (np) не залежить вiд положення рiвня Фермi i визначається тiльки температурою i шириною забороненої зони: де Eg = Ec - Ev - ширина забороненої зони. Згiдно з аналiзом для власного напiвпровiдника: З ( 5 ) отримується одне з важливих спiввiдношень теорiї напiвпровiдникових приладiв: Спiввiдношення (7 ) показує, що пiдвищення концентрацiї одного типу носiїв заряду супроводжується зменшенням концентрацiї iншого типу носiїв заряду (закон дiючих мас). Концентрацію рівноважних неосновних носіїв зарядув p- і n-областях pn і np можна визначити із співвідношення (закону діючих мас) (7) при відомій концентрації основних носіїв заряду (pn і np) . Останні можна розрахувати з відомої величини питомого опору (n p) при заданій рухливості носіїв заряду електронів і дірок: n = n-1 = en  nn ; (8) p = p-1 = ep  np ; (9) де n, n і p, p – питомі провідності рухливості електронів та дірок, відповідно. 1.3. Розрахунок параметрів p-n-переходу напівпровідникового діода P-n-переходи вiдiграють важливу роль в сучаснiй напiвпровiдниковiй електронiцi як самостiйнi прилади - напiвпровiдниковi дiоди, i є також основою iнших приладних структур: транзисторiв, тиристорiв, компонентiв iнтегральних схем тощо. На рис.2 зображено дiаграму енергетичних зон для р-n-переходу, якщо напруга пряма (U>0) i зворотна (U<0). Якщо U>0, то напруга вираховується з k, сумарне електричне поле в переходi знижується i ширина збiдненої областi зменшується. Якщо ж U<0, то U i k сумуються, сумарне електричне поле в переходi пiдвищується, що призводить до розширення збiдненої областi. а) e(k-U) eU e(k+U) б) eU -xp 0 xn EFp Ec EV EFn Eзовн Eвн p-тип n-тип Eзовн Eвн Ec EFp EV -xp 0 xn EFn Ec EV n-тип p-тип x x EV Ec Рис.2. Дiаграма енергетичних зон пiд час прямого (а) i зворотного (б) змiщення р-n-переходу 1.3.1. Розрахунок контактної різниці потенціалів Будемо вважати, що напівпровідники, що знаходяться в контакті є невиродженими. Тоді висота потенційного бар’єра і контактна різниця потенціалів дорівнюють відповідно: Якщо з обох бокiв контакту напiвпровiдник не власний i не скомпенсований, а домiшки в ньому за даної температури повнiстю iонiзованi, тобто pp  Na i nn  Nd, то контактну рiзницю потенцiалiв можемо визначити за формулою: Значення k для найпоширенiших невироджених напiвпровiдникiв знаходиться в iнтервалi 0,1  1,0 В, тобто, значення (ek) не перевищує ширину забороненої зони напiвпровiдникiв. 1.3.2. Розрахунок ширини p-n-переходу і бар’єрної ємності За розподiлом концентрацiї домiшок у приконтактнiй областi напiвпровiдникiв бiльшiсть р-n-переходiв можна вiднести до одного з двох типiв: - рiзкий р-n-перехiд зi ступiнчатим розподiлом домiшок; - лiнiйний р-n-перехiд з плавним розподiлом домiшок. За спiввiдношенням концентрацiї основних носiїв заряду або вiдповiдних домiшок в р- i n-областях розрiзняють симетричнi i несиметричнi р-n-переходи: -для симетричних - pp= nn ; -для несиметричних - pp>>nn (p+-n-переходи) або pp<<nn (n+-р-переходи). Несиметричнi переходи здебiльшого характернi для напiвпровiдникових дiодiв. Якщо до р-n-переходу прикладається зовнiшня напруга (U), ширина р-n-переходу буде змiнюватися i визначається такими виразами: Якщо напруга зворотна, (U<0) xp-n зростає, оскiльки збiльшується сумарна напруженiсть електричного поля в р-n-переходi. Якщо напруга пряма, (U>0) xp-n зменшується, оскiльки знижується сумарна напруженiсть електричного поля в р-n-переходi. Бар'єрна ємнiсть як рiзкого, так i лiнiйного р-n-переходу може бути визначена за формулою для плоского конденсатора: де Ар-n - площа р-n-переходу. Пiд час прикладання до р-n-переходу зворотної напруги змiщення розширюється область просторового заряду i бар'єрна ємнiсть зменшується. Вiдповiдно прикладання до р-n-переходу додатної напруги змiщення призводить до пiдвищення бар'єрної ємностi, оскiльки ширина р-n-переходу зменшується. 1.3.3. Розрахунок розподілу концентрації нерівноважних неосновних носіїв заряду в областях р-n-переходу Розподіл концентрації нерівноважних неосновних носіїв заряду в р- і n-областях переходу описується виразами відповідно:: З рівнянь (16) i (17) видно, що надлишкова концентрацiя неосновних носiїв заряду в областях переходу пiд час вiддалення вiд металургiйної межi переходу зменшується за експоненцiйним законом. При цьому дифузiйна довжина неосновних носiїв заряду є визначальним параметром змiни нерiвноважної концентрацiї i визначається як вiддаль, на якiй нерiвноважна концентрацiя змiнюється в e = 2.71 разiв. 1.4. Розрахунок напруги пробою p-n-переходу За деякої достатньо великої зворотної напруги струм через р-n-перехід різко зростає за практично незмінної напруги, що пояснюється пробоєм р-n-переходу. Розрізняють три основні механізми пробою: -тунельний, зумовлений тунельним ефектом в р-n-переході; -лавинний, пов'язаний з лавинним розмноженням носіїв заряду в запірному шарі р-n-переходу; -тепловий, пов'язаний з виділенням теплової енергії, що призводить до саморозігріву р-n-переходу. В основі тунельного пробою лежить тунельний ефект, тобто "просочування" носіїв заряду через потенційний бар'єр р-n-переходу за достатньо малої товщини бар'єра (xp 10-6 см). Часто для визначення напруги тунельного пробою використовуються емпіричні формули: де n i р - питомий опір n- і р-областей переходу, Омсм; UT.пр - напруга пробою, В. Для реальних діодів напруга тунельного пробою не перевищує декількох вольт (5 6)В. Лавинний пробій р-n-переходу - це пробій, зумовлений лавинним розмноженням носіїв заряду під дією сильного електричного поля. Механізм лавинного пробою полягає в тому, що носії заряду, котрі рухаються в сильному електричному полі р-n-переходу, можуть набути достатньої енергії для іонізації атомів напівпровідника, тобто для утворення нових електронно-діркових пар. Цей тип пробою, здебільшого, визначає верхню межу зворотної напруги випрямляючих діодів, колекторної напруги біполярних транзисторів, лавинно-прольотних діодів, фотодіодів і тощо. Частіше буває відома не концентрація домішки в базі діода, а її питомий опір, тобто питомий опір вихідного матеріалу. Тому, враховуючи зв'язок концентрації домішки або концентрації основних носіїв заряду з питомим опором, напругу лавинного пробою (EMBED Equation.3) можна визначити з такого виразу: Емпіричні коефіцієнти С і m є різними не тільки для діодів із різних матеріалів, але і для діодів із одного і того ж матеріалу (p+-n i n+-p-переходів), що пов'язано з неоднаковими рухливостями електронів і дірок у напівпровідниках. Для кремнієвих EMBED Equation.3-переходів EMBED Equation.3, EMBED Equation.3-переходів. EMBED Equation.3; для германієвих EMBED Equation.3-переходів EMBED Equation.3; EMBED Equation.3-переходів EMBED Equation.3, де  -питомий опір бази, Омсм. Процес лавинного розмноження носіїв заряду домінує в тих діодах, для яких EMBED Equation.3. Якщо ж значення EMBED Equation.3 лежить в інтервалі 58 В. то пробій зумовлений одночасним існуванням тунельного і лавинного механізмів пробою. 1.5.Розрахунок вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода Повна густина струму через p-n-перехiд за умови, що дрейфовими струмами можна знехтувати, буде дорiвнювати: Iз виразу ( ) видно: якщо напруга вiд'ємна i U>>kT/e, exp(eU/kT)<<1,- струм через дiод прямує до насичення: де Js- густина струму насичення; Ap-n - площа р-n-переходу. Таким чином, вираз для вольт-амперної характеристики (ВАХ) iдеального дiода може бути поданий у виглядi: Рiвняння ( ), що описує ВАХ iдеального напiвпровiдникового дiода, можна також подати у виглядi: U I 0 Is A   Рис.3 ВАХ iдеального дiода Вирази (23) і (24) описують ВАХ iдеального дiода, тобто без врахування генерацiйно-рекомбiнацiйних процесiв, що мають мiсце в запiрному шарi р-n-переходу, без врахування поля за межами запiрного шару, явищ на поверхнi кристала, крайових ефектiв i т.д. Здебiльшого експериментальнi результати добре узгоджуються з отриманим виразом ВАХ, якщо врахувати для прямої вiтки розподiл напруги в базi дiода, для зворотної - струми втрат i пробiй р-n-переходу. На рис. 3 наведено ВАХ iдеального дiода вiдповiдно до виразів (23) і (24). Оскiльки ВАХ напiвпровiдникового дiода є нелiнiйною i несиметричною, то кожну її точку можна описати за допомогою диференцiйного опору (rp-n) або опору постiйному струму (Rp-n): Якщо EMBED Equation.3 якщо EMBED Equation.3EMBED Equation.3 Струм насичення не залежить вiд прикладеної до дiода зовнiшньої напруги , а лише визначається електрофiзичними властивостями напiвпровiдника, на основi якого виготовлений p-n-перехiд. Однак в реальних дiодах зворотний струм не є постiйним i не дорiвнює струму насичення, а здебiльшого зростає з пiдвищенням зворотної напруги з таких причин: - генерацiї носiїв заряду в ОПЗ переходу; - поверхневих втрат; - явищ, що за достатньо високих напруг призводять до пробою. Розглянемо залежнiсть струму насичення вiд температури для p+-n-переходу. Для аналiзу температурної залежностi в цьому випадку достатньо розглянути дiркову складову густини струму насичення: З врахуванням того, що EMBED Equation.3вираз (27) запишеться так: де EMBED Equation.3 -власна провiднiсть напiвпровiдника; EMBED Equation.3 -домiшкова провiднiсть n-областi переходу-бази; EMBED Equation.3- спiввiдношення рухливостей електронiв i дiрок. Отже, пiд час пiдвищення температури дiода густина струму насичення збiльшується, оскiльки з температурою експоненцiйно зростає власна концентрацiя носiїв заряду. Якщо густина прямого струму підвищена, необхідно враховувати омічний спад напруги на р- і n- областях діода і його контактах. тобто на послідовно увімкненому до переходу омічному опорі EMBED Equation.3: де EMBED Equation.3- опір бази, EMBED Equation.3.- опір контактів. Здебільшого опір контактів діода значно менший, ніж опір бази, тому ним нехтують і вважають, що EMBED Equation.3. Зовнішня напруга (U), що прикладена до діода в загальному випадку, складається зі спаду напруги на ОПЗ р-n-переходу (Uр-n) і спаду напруги на базі та контактах (EMBED Equation.3): Якщо опір бази діода відомий, то струм через діод можна визначити так: Формула (31 ) дає змогу розрахувати ВАХ діода, прийнявши за незалежну змінну значення струму через діод. Опір бази можна розрахувати, знаючи її геометричні розміри і питомий опір напівпровідника: де W- довжина бази, EMBED Equation.3 - питомий опір напівпровідника Таким чином, за достатньо великих прямих струмів на ВАХ діода може спостерігатися прямолінійна ділянка, за якою можна наближено оцінити опір бази і значення контактної різниці потенціалів р-n-переходу. Необхідно врахувати, що за достатньо великих струмів опір бази не є постійним під час зміни струму через діод, тому розрахунок ВАХ для цього випадку значно ускладнюється. 1.6. Розрахунок дифузійної ємності діода Дифузійна провідність Yр- комплексна величина, в якій можна виділити дійсну та уявну частини, що відповідають активній і реактивній складовим провідності відповідно. Реактивна складова має ємнісний характер Розглянемо детальніше дифузійну ємність для діапазону низьких частот EMBED Equation.3. Для низьких частот EMBED Equation.3. Підставивши отриманий вираз у формулу для повної провідності, отримаємо: У виразі ( ) не враховується бар'єрна ємність (Сбар), значення якої є малим порівняно з дифузійною ємністю в режимі малого сигналу. Дифузійну ємність пов'язують зі зміною заряду інжектованих неосновних носіїв під час зміни напруги на діоді, однак її не можна пов'язати з проходженням струмів зміщення. В цьому суттєва різниця між дифузійною ємністю і бар'єрною ємністю р-n-переходу, а також ємністю плоского конденсатора. 1.7. Еквівалентна схема діода Якщо амплітуда прикладеної гармонічної напруги задовольняє нерівності U1(х)<<kТ/е, то rp-n Cбар Cдиф Rs діод можна описати еквівалентною схемою заміщення у вигляді лінійного двополюсника (рис. 4). Рис.4. Еквівалентна схема діода в режимі малого сигналу Еквівалентна схема діода в режимі малого сигналу утворена паралельним з'єднанням дифереційного опору діода rр-n, дифузійної ємності Сдиф і бар'єрної ємності Сбар, а також враховує послідовний опір бази EMBED Equation.3. Якщо U>0, можна вважати, що Сбар << Сдиф, якщо U<0, то має місце зворотна нерівність Сбар >> Сдиф. 1.8. Перемикання діода в схемі з генератором струму Оскільки в будь-якому реальному електричному колі послідовно з діодом увімкнений відмінний від нуля опір навантаження, то, відповідно, значення перехідного зворотного струму діода обмежується цим опором. Тому протягом деякого часу після перемикання значення зворотного струму визначається лише параметрами зовнішнього кола і не залежить від властивостей самого діода: де Rн - опір навантаження, А р-n - площа р-n-переходу. Графік залежності густини струму під час перемикання діода в схемі з генератором струму подано на рис.5. Jps J(t) t Jпр Jзв tI tII Рис.5. Графік залежності густини струму під час перемикання діода в схемі з генератором струму Отже, весь перехідний процес перемикання діода в колі з обмежуючим опором можна розділити на дві фази: - фазу високої зворотної провідності діода; - фазу встановлення зворотного струму (або зворотного опору діода). Протягом першої фази (tI) зворотний струм визначається лише елементами кола і залишається постійним, тоді як за час другої фази (tII) він спадає за законом, що визначається характеристиками діода, Тривалість першої фази (tI) можна знайти з рівності. Якщо EMBED Equation.3або EMBED Equation.3 Характерно, що тривалість першої фази (tI) пропорційна до часу життя дірок (EMBED Equation.3), а від режиму перемикання залежить дише через відношення густин струмів. Практично протягом першої фази перемикання зберігається додатна напруга на р-n-переході. Тривалість фази встановлення зворотного струму (tII) можна визначити з виразу для густини перехідного зворотного струму через p-n-перехід: Отже, тривалість перехідних процесів, пов'язаних з нагромадженням і розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі діода пропорційна до часу життя носіїв заряду (EMBED Equation.3). Тому для зменшення часу життя носіїв заряду в швидкодіючих діодах у базу додатково вводять рекомбінаційні центри, легуючи напівпровідник домішками з глибокими рівнями залягання, найчастіше золотом. Однак, якщо концентрація золота в базі значна, зменшується напруга пробою р-n-переходу і зростає зворотний струм діода. 2. РОЗРАХУНОК БЕЗДРЕЙФОВОГО БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА 2.1. Завдання до курсової роботи з розрахунку бездрейфового біполярного транзистора Мета курсової роботи- розрахунок основних параметрів біполярного транзистора за заданими структурою, геометричними розмірами, матеріалом напівпровідника, провідністю областей емітера, бази та колектора. Як технологічний варіант пропонується вибрати сплавний транзистор з однорідною базою, тобто бездрейфовий транзистор. Розрахунок цього типу транзистора є відносно простим і в цей же час дозволяє охопити майже всі явища та процеси, що мають місце в транзисторній структурі. У завданні до курсової роботи вказується: структура біполярного транзистора; конструктивні особливості біполярного транзистора; геометричні розміри елементів приладу; електрофізичні параметри елементів приладу; перелік параметрів і характеристик, які необхідно розраховувати під час виконання курсової роботи. 2. 1.1. Структура і принцип дії біполярного транзистора Біполярний транзистор належить до напівпровідникових приладiв, що мають два електронно-дірковi переходи, що взаємодіють і здатнi підсилювати електричний сигнал за потужнiстю. Е К Б Ее Ек p n p Переважно транзистор має три електроди, які під’єднані до областей з різним типом електропровідності. Ці області називають емітером, базою і колектором. Перехід на межi емітер-база називається емітерним, а на межi база-колектор – колекторним. Емітерну область, як правило, легують сильніше порівняно з іншими, а перехід емітер-база використовують, звичайно, в режимі інжекції. Основним призначенням колектора є екстракція носіїв заряду з базової області, тому його розміри повиннi бути більшими, ніж емітера. Рис. 3.1. Структурна схема біполярного транзистора типу p-n-p Залежно від послідовності чергування областей розрізняють транзистори типу p-n-p і n-p-n. На рис.3.1 зображено спрощену структуру транзистора типу p-n-p і схему під’єднання постійних джерел зміщення до електродів транзистора, що працює в режимі підсилення. Принцип дії транзисторiв обох типів однаковий, відміннiсть полягає лише в тому, що в транзисторах зi структурою p-n-p основний струм, який проходить через базу, створюється дірками, інжектованими з емітера, а в транзисторі типу n-p-n - електронами. Під час роботи транзистора в режимі підсилення (активний режим) емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний – в зворотному. За характером переносу носіїв заряду транзистори можна розділити на два класи – біполярні і уніполярні (польові транзистори). До біполярних належать транзистори, в яких при проходженні струму заряд переноситься носіями двох типів (дірками і електронами), тобто інжекція неосновних носіїв супроводжується компенсацією їх заряду основними носіями. В унiполярних транзисторах заряд переноситься лише основними носiями. Особливість бiполярного транзистора полягає у взаємному впливі переходів один на одного, тобто струмом одного з переходів можна керувати струмом iншого. Для ефективного впливу емітерного переходу на колекторний необхідне дотримання таких основних вимог: ширина бази транзистора повинна бути меншою від дифузійної довжини інжектованих носіїв заряду (Wo<Lp), де Wo – ширина бази; Lp – дифузійна довжина дірок; концентрація основних носіїв заряду в базi повинна бути набагато меншою від їх концентрації в області емітера. Концентрацію носіїв заряду в області колектора підтримують, звичайно, дещо меншою, ніж в області емітера; площа колекторного переходу повинна бути в декілька разів більшою від площі емітерного переходу. Необхідно зауважити, що за своєю фізичною природою транзистор, в принципі, прилад зворотний, тобто емітер і колектор можна поміняти місцями, зберігши працездатність приладу. Якщо на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному переході – зворотнa, то таке під’єднання транзистора вважають нормальним, при протилежній полярності напруг – інверсним. Кожен з переходів транзистора можна під’єднувати в прямому або зворотному напрямку. Залежно від цього розрізняють три режими роботи транзистора: – активний режим – емітерний перехід відкритий, а колекторний закритий або навпаки; – режим насичення – обидва електронно-діркові переходи відкриті; – режим відсічки – обидва переходи закриті. Отже, біполярний транзистор являє собою систему двох взаємодіючих р-n-переходів, і необхідною умовою такої взаємодії є мала ширина бази. Основні властивості транзисторів, насамперед, визначаються фiзичними процесами, які відбуваються в базі. Характер руху інжектованих носіїв заряду в базі в загальному випадку визначається поєднанням дифузії і дрейфу. Залежно від розподілу домішок в базі електричне поле може існувати або ні. Якщо таке поле відсутнє, то транзистор називають бездрейфовим. Якщо в базі існує внутрішнє електричне поле, що сприяє руху неосновних носіїв заряду від емітера до колектора, то такий транзистор називають дрейфовим. Принцип дії біполярного транзистора базується на таких явищах: інжекції неосновних носіїв заряду з емітера в базову область; переміщення інжектованих носіїв заряду через базову область внаслідок дрейфу або дифузії (в бездрейфових транзисторах переміщення носіїв заряду здійснюється тільки дифузією); екстракції носіїв заряду з базової областi в колекторну значним полем колекторного переходу. 2.1.2. Конструктивні особливості бездрейфового біполярного транзистора напівпровідниковий матеріал транзистора (наприклад, кремній або германій); тип p-n-переходів за розподілом концентрації домішки (наприклад, різкий або лінійний); тип провідності емітера, бази і колектора транзистора (наприклад, p-n-p або n-p-n-типу); EMBED Paint.Picture Рис. 3.2. Модель сплавного біполярного транзистора. Модель сплавного транзистора круглого перерізу зображена на рис. 3.2. і заданою товщиною і діаметром емітерної, базової і колекторної областей. Опір бази складається з трьох частин: опору R1 – диска радіусом Rе і товщиною W1 (активної частини бази); опору R2 – кільця товщиною W2 (пасивної частини бази); опору R3 – кільця товщиною W3 (периферійної частини бази). 2.1.3. Геометричні розміри елементів транзистора товщина і діаметр базової області; товщина і діаметр емітерної області ; товщина і діаметр колекторної області. Розміри базової, емітерної та колекторної областей транзистора визначені в таблиці 3.1. 2.1.4. Електрофізичні параметри елементів транзистора питомий опір емітерної, базової і колекторної областей транзистора, відповідно, е, б, к ; дифузійна довжина неосновних носіїв заряду в емітер ній і колекторній області, відповідно, Lе і Lк; час життя неосновних носіїв заряду в базі (б); інтервал робочої температури навколишнього середовища (наприклад для Ge-4070оС; для Si-40120оС); максимальна зворотна напруга на колекторному переході транзистора (Uк); максимально прямий струм через емітерний перехід (Іе). Дані для розрахунку транзистора. Табл.3.1 В даній таблиці Uк- зворотня напруга на p-n- переході база-колектор, Iе- прямий струм p-n- переходу емітер- база, w1=wб- товщина активної бази, Le, Lк- дифузійні довжини для емітерної та колекторної областей, е, б, к- питомий опір областей емітера, бази, колектора відповідно, б- час життя неосновних носіїв в базі, s- швидкість поверхневої рекомбінації. 2.1.5. Під час розрахунку необхідно визначити: коефіцієнт передачі емітерного струму в схемі увімкнення транзистора зі спільною базою; коефіцієнт передачі базового струму (коефіцієнт підсилення) в схемі ввімкнення транзистора зі спільним емітером; дифузійний опір емітера, бази і колектора; бар’єрну (зарядну) ємність емітерного і колекторного переходу; граничну частоту підсилення транзистора та максимальну частоту генерації; зворотні струми p-n-переходів; пробивні напруги транзистора; вплив струму емітера на коефіцієнт передачі (коефіцієнт підсилення ) базового струму; інверсний коефіцієнт передачі емітерного струму; малосигнальні параметри транзистора як активного чотириполюсника (активні складові); максимальну потужність розсіювання; положення рівня Фермі в області емітера- бази і колектора та побудувати енергетичну діаграму транзистора в активному режимі роботи ; вольт-амперну характеристику колекторного переходу (при ввімкненому емітері); залежність коефіцієнту передачі емітерного струму від колекторної напруги; залежність бар’єрної ємності колекторного переходу від напруги на колекторі; залежність дифузійної ємності емітерного переходу від емітерного струму; залежність власного опору напівпровідника від температури; залежність зворотного струму колектора від температури; температурну залежність струму через колекторний перехід, зумовленого процесами генерації в ОПЗ. 2.2. Розрахунок неосновних параметрів біполярного транзистора Перед початком розрахунку параметрів біполярного транзистора необхідно проаналізувати вихідні дані (табл.3.1) для вияснення чи виконується нерівність W <<L у запропонованому варіанті. Якщо вона не виконується, то необхідно уточнити вихідні дані. 2.2.1. Розрахунок коефіцієнтів передачі струму (підсилення струму) в схемі ввімкнення транзистора зі спільною базою і спільним емітером У біполярних транзисторах залежно вiд їх схеми ввімкнення вихідною (регульованою) величиною є емітерний або колекторний струм, а вхідною (регулюючою) – струм емітера або струм бази. Зв’язок між вихідними і вхідними струмами визначається коефіцієнтом підсилення. Для практичних розрахунків зручно користуватися коефіцієнтом підсилення за струмом транзистора в схемі зi спільною базою –  , що визначається з відношення повного струму колектора до повного струму емітера при постійній напрузі на колекторному переходi: EMBED Equation.2 . Згідно теорії транзисторів, цей коефіцієнт може бути представлений як: EMBED Equation.2 . У цьому виразі: - коефіцієнт інжекції, або ефективність емітера. Для p-n-p- транзисторів =Iep/Ie, для n-p-n- транзисторів =Ien/Ie, де Iep, Ien- струм інжекції неосновних носіїв в базу. Враховуючи, що Ie=Ien+Iep, 1.  - коефіцієнт переносу, визначає долю інжектованих в базу неосновних носіїв, що дійшли до колекторного p-n-переходу. EMBED Equation.2 - для p-n-p- транзистора; EMBED Equation.2 - для n-p-n- транзистора. Враховуючи, що Iep=Iкp+Iбр (в p-n-p- транзисторі) або Ien=Iкn+Iбn (в n-p-n- транзисторі), 1. Тут Iкр, Ікn- струми колектора, обумовлені інжекційним струмом емітера, Ібр, Ібn- струми бази, обумовлені рекомбінацією інжектованих носіїв в базі. і- ефективність колектора, визначає вплив процесів в колекторному p-n- переході на коефіцієнт . EMBED Equation.2 - для p-n-p- транзистора, EMBED Equation.2 - для n-p-n- транзистора. Більш детальне визначення коефіцієнтів , , і можна знайти в [3]. Для бездрейфового транзистора при умові wбLб і еб (несиметричний p-n- перехід): EMBED Equation.2 , де ne, pe- рухливості носіїв заряду в емітері, nб, pб- рухливості носіїв заряду в базі. Як відомо, рухливість носіїв залежить від концентрації домішок. Тому для визначення n і р потрібно знайти концентрації домішок в емітері Ne, базі Nб і колекторі Nк за допомогою графіків  (N), що даються в [3]. Тут - питомий опір напівпровідника. Розрахунок транзистора проводиться для діапазону робочих температур, коли всі домішки іонізовані, тому концентрації основних носіїв будуть дорівнювати концентраціям легуючих домішок у відповідних областях транзисторної структури. Для p-n-p- транзистора Ne = pe, Nб = nб, Nк = pк, для EMBED Equation.2 n-p-n- транзистора Ne = ne, Nб = pб, Nк = nк. Рухливість носіїв можна знайти за допомогою емпіричної формули EMBED Equation.2 , де N+ - сумарна концентрація центрів розсіювання (в нашому випадку- концентрація домішок) у відповідній області транзистора. Коефіцієнти 1, 2, N0, а залежать від матеріалу напівпровідника та типу носія заряду (табл.3.2). Коефіцієнти для розрахунку носіїв заряду. Таблиця 3.2. Коефіцієнт переносу  для бездрейфового транзистора EMBED Equation.2 , де Ае=Re2- площа емітера; Аs2Rews- ефективна площа поверхневої рекомбінації. Dб, Lб- коефіцієнт дифузії і дифузійна довжина неосновних носіїв в базі, EMBED Equation.2 . Dб можна визначити зі співвідношення Ейнштейна: D/=Т, де Т = kT/q - тепловий потенціал (для Т=300 К Т=0,026 В). Ефективність емітера і=М*, де EMBED Equation.2 - коефіцієнт лавинного помноження, показує, в скільки разів зростає струм колектора Ік за рахунок процесів ударної іонізації в області просторового заряду (ОПЗ) колекторного p-n-переходу. В цій формулі UВ - напруга лавинного пробою колекторного p-n-переходу, n - коефіцієнт, який залежить від матеріалу напівпровідника і типу p-n-переходу. Напруга UВ також залежить від матеріалу напівпровідника і типу p-n-переходу і для несиметричних переходів визначається через емпіричну залежність EMBED Equation.2 Коефіцієнти В, n, к для p-n- переходів на основі Ge та Si приводяться в таблиці 3. Коефіцієнти для розрахунку напруги лавинного пробою. Табл.3. Коефіцієнт * називається власним коефіцієнтом підсилення колекторного переходу. Він зумовлений зміною умов дифузії неосновних носіїв заряду в області колектора для високоомних колекторів. EMBED Equation.2 , де і- питомий опір власного напівпровідника, EMBED Equation.2 - p-n-p- транзистор, EMBED Equation.2 - n-p-n- транзистор, EMBED Equation.2 - відношення рухливостей електронів та дірок в колекторній області. Коефіцієнт передачі базового струму B=Ік/Іб=/(1-). 2.2.2. Розрахунок параметрів Т-подібної еквівалентної схеми біполярного транзистора Наступний крок розрахунку транзистора- визначення параметрів малосигнальної Т- подібної еквівалентної схеми, або власних (внутрішніх) параметрів транзистора. В розрахунках електронних схем використовуються еквівалентні схеми транзистора з генератором напруги (рис.3.3а) або з генератором струму (рис.3.4). EMBED Paint.Picture a б Рис.3.3. Еквівалентні схеми транзистора. Диференційний опір емітера EMBED Equation.2 . Якщо Uк=const, модуляція ширини бази відсутня і опір емітера EMBED Equation.2 . При наявності модуляції ширини бази EMBED Equation.2 . Диференційний опір бази EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , де EMBED Equation.2 - омічний опір матеріалу бази; для сплавних транзисторів: EMBED Equation.2 ; EMBED Equation.2 - дифузійний опір бази, зумовлений модуляцією ширини бази при зміні Uк: EMBED Equation.2 Диференційний опір колектора EMBED Equation.2 . Якщо к  б EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , де EMBED Equation.2 - ширина області просторового заряду колекторного переходу. В цій формулі б- рухливість основних носіїв в базі,  та 0- відносно діелектрична проникність напівпровідника та діелектрична стала. Тут же можна визначити і максимальну напруженість електричного поля в колекторному p-n- переході: EMBED Equation.2 . Внутрішній опір еквівалентного генератора rm: rm=rк. Наступний етап- визначення дифузійних і бар’єрних ємностей транзистора. Дифузійна ємність емітера EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 . Дифузійна ємність колектора EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 . Тут Dб - коефіцієнт дифузії неосновних носіїв в базі. Бар’єрна (зарядна) ємність емітерного переходу (для сплавних транзисторів p-n- переходи різкі) EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 - для p-n-p- транзистора, EMBED Equation.2 - концентрація інжектованих в базу неосновних носіїв біля емітерного переходу. Для n-p-n- транзисторів замість ре треба поставити nе, рбе поміняти на nбе і Dр поміняти на Dn (в базі). Бар’єрна ємність колекторного переходу. EMBED Equation.2 , де EMBED Equation.2 ; EMBED Equation.2 . Для n-p-n- транзисторів pк міняється на nк , pб - на nб. Частотний діапазон роботи біполярного транзистора визначається через залежність коефіцієнтів передачі струму від частоти. Гранична частота підсилення- це є частота, на якій коефіцієнт підсилення транзистора за струмом зменшується в EMBED Equation.2 раз (рис.3). 2.2.3. Розрахунок частотного діапазону роботи біполярного транзистора В схемі зі спільною базою гранична частота f EMBED Equation.2 , де Dб- коефіцієнт дифузії неосновних носіїв в базі. В схемі зі спільним емітером гранична частота f EM...

Курсова робота Твердотільна електроніка

01.01.1970 03:01-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись