Расчет полупроводникового диода и МДП-транзистора
Введение
Полупроводниковые приборы, с момента изобретения, имеют широкое применение в различных сферах деятельности. В особенности, огромное распространение получили транзисторы. В связи с тем что они очень легко приспосабливаются к различным условиям применения, приборы почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности – полупроводниковая электроника. Одно из первых промышленных применений транзистор нашел на телефонных коммутационных станциях.
Сегодня транзисторы и многотранзисторные интегральные схемы используются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, детских игрушках, карманных калькуляторах, системах пожарной и охранной сигнализации, игровых телеприставках и регуляторах всех видов – от регуляторов света до регуляторов мощности на локомотивах и в тяжелой промышленности. В настоящее время «транзисторизованы» системы впрыска топлива и зажигания, системы регулирования и управления, фотоаппараты и цифровые часы[1].
Наибольшие изменения транзистор произвел, пожалуй, в системах обработки данных и системах связи – от телефонных подстанций до больших ЭВМ и центральных АТС. Космические полеты были бы практически невозможны без транзисторов. В области обороны и военного дела без транзисторов не могут обходиться компьютеры, системы передачи цифровых данных, системы управления и наведения, взрыватели, радиолокационные системы, системы связи и разнообразное другое оборудование. В современных системах наземного и воздушного наблюдения, в ракетных войсках – всюду применяются полупроводниковые компоненты. Перечень видов применения транзисторов почти бесконечен и продолжает увеличиваться[2].
- Принципы классификации полупро
водниковых диодов
Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов. Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.
Классификация диодов производится по следующим признакам:
По конструкции:
- плоскостные диоды;
- точечные диоды;
- микросплавные диоды.
По мощности:
- маломощные;
- средней мощности;
- мощные.
По частоте:
- низкочастотные;
- высокочастотные;
- СВЧ.
По функциональному назначению:
- выпрямительные диоды;
- импульсные диоды;
- стабилитроны;
- варикапы;
- светодиоды;
- тоннельные диоды, …и так далее.
Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:
- маркировка диодов;
- условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.
ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений, представленных на рисунке 1.1:
Рисунок 1.1 - Обозначение диодов
I – показывает материал полупроводника:
Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.
II – тип полупроводникового диода:
Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;
А – диоды СВЧ;
C – стабилитроны;
В – варикапы;
И – туннельные диоды;
Ф – фотодиоды;
Л – светодиоды;
Ц – выпрямительные столбы и блоки.
III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:
IV – модификация диодов в данной (третьей) группе[3].
Условно-графическое обозначение диодов представлено на рисунке 1.2:
Рисунок 1.2 - Условно-графическое обозначение диодов
а) Так обозначают выпрямительные, высокочастотные,
СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны;
в)варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки;
е)светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки
Конструкция полупроводниковых диодов – рисунок 1.3. Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем.
Рисунок 1.3 - Конструкция полупроводникового диода
Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом.
Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными[4].
К базе точечного диода – рисунок 1.4, подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область
Рисунок 1.4 - Конструкция точечного диода
Получается p-n переход очень малой площади – рисунок 1.5. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер)[5].
Рисунок 1.5 - P-n переход в точечном диоде
Микросплавные диоды получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные.
Вольт-амперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода – рисунок 1.6: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем.
Рисунок 1.6 – Вольт-амперная характеристика p-n перехода
Кривая обратного тока ВАХ – рисунок 1.7, имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда[6].
Рисунок 1.7 - Кривая вольт-амперной характеристики
- Выпрямительные диоды
Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.
Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока, в этом случае допускается параллельное включение диодов – рисунок 1.8.
Рисунок 1.8. – Параллельное включение выпрямительных диодов
Добавочные сопротивления величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.
Если напряжение в
цепи превосходит максимально
Рисунок 1.9 – Последовательное включение выпрямительных диодов
Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.
Диоды в схемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД[8].
На рисунках представлены однополупериодный диод – рисунок 1.10, и его вольт-амперная характеристика - рисунок 1.11.
Рисунок 1.10 – Однополупериодный диод
Рисунок 1.11 - Вольтамперная характеристика
выпрямительного диода
Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители, представленные на рисунке 1.12.
Рисунок 1.12 – Двухполупериодный выпрямитель
В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-). В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-). Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной. Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах - рисунок 1.13[9].
Рисунок 1.13 – Двухполупериодный выпрямитель на двух диодах
1.2 Импульсные диоды
Импульсные диоды – рисунок 1.14, предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p-n перехода при подаче на него импульсного напряжения.
Рисунок 1.14 – Импульсный диод
Вольт-амперная характеристика импульсного диода представлена на рисунке 1.15:
Рисунок 1.15 – Вольт-амперная характеристика
импульсного диода
В промежуток времени от 0 до p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст, которое необходимо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода. В момент времени p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст p-n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличения подвижности электронов. Вместо золота также можно использовать серебро, медь, никель, палладий и другие легирующие вещества этого ряда металлов.[10].
2 Классификация и основные особенности транзисторов
Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам:
- По материалу полупроводника
– обычно германиевые или
- По типу проводимости
областей (только биполярные
- По принципу действия
транзисторы подразделяются на
биполярные и полевые (
- По частотным свойствам;
- НЧ (<3 МГц);
- СрЧ (3 30 МГц);
- ВЧ и СВЧ (>30 МГц);
- По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3 - 3 Вт), мощные (>3 Вт)[11]. Маркировка транзисторов представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Маркировка транзисторов
I – материал полупроводника: Г – германий, К – кремний.
II – тип транзистора по принципу действия: Т – биполярные, П – полевые.
III – три или четыре цифры – группа транзисторов по электрическим параметрам. IV – модификация транзистора в 3-й группе.
Первая цифра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведённой таблицей 1.
Таблица 1
Устройство биполярных транзисторов – рисунок 2.2. Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой. Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база[12].
Рисунок 2.2 – Устройство биполярного транзистора.
Область, имеющая бoльшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером. P-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом.
Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.
Полевые транзисторы – рисунок 2.3. Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду[13].
Рисунок 2.3 – Устройство полевого транзистора.
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[14].
2.1 Система обозначений транзисторов
На рисунке 2.4 приведены основные обозначения полевых транзисторов; для сравнения здесь же показаны обозначения биполярных транзисторов.
Рисунок 2.4 -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, полевые
транзисторы со встроенным каналом
(нормально открытые) - сплошную. Стрелка
в обозначении полевых транзист
Семейство выходных ВАХ МДП - транзистора с индуцированным каналом представлено на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5- 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 IС возрастает - характеристика идет выше.
Можно выделить три основные рабочие области:
- область отсечки выходного тока: транзистор заперт и в цепи стока протекает малый остаточный ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового р-n перехода.
- активная область (пологая часть выходных ВАХ) - область где выходной ток IС остается практически неизменным с ростом напряжения Ucu.
- область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток IС в этой области работы задается внешней цепью[15].
2.2 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. Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств. 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. Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.
За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).
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[16].
2.3 Расчет входной и
выходной характеристики
2.3.1 Исходные данные
А = 8 ∙ 10-6 см2 - площадь р-n перехода;
Wб = 3,2 мм - ширина базовой области;
2.3.2 Справочные данные
q = 1,6 ∙ 10-19 Кл – заряд электрона;
ni = 1,5 ∙ 1010 см-3 – концентрация, при температуре 296 К;
ДnK = 34 см2/с – коэффициент диффузии электронов в коллекторной области;
Дрб = 13 см2 /с - коэффициент диффузии дырок в базовой области;
Ln = 4,1 ∙ 10-4 м - диффузионная длина электрона;
UT = 25,8 мВ - температурный потенциал при температуре 300 К;
Nдб =1,1 ∙ 1016 см-3 - донорная концентрация в базовой области;
Nак = 3 ∙ 1017 см-3 - акцепторная концентрация в коллекторной области.
Ток коллектора рассчитывается по формуле (2.1).
(2.1)
При UЭ – const
UК = 0; 0.01; 0.05; 0.1; 1; 1.5; 2; 3; 4; 5.
Находится значение Iк, затем меняя Uэ, при тех же значениях UK находится значения тока. Данные представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Значения Iк при разных значениях Uэ
|
Iк при Uэ = 0 В ∙ 10-18 |
Iк при Uэ = 0,005 В ∙ 10-18 |
Iк при Uэ = 0,01 В ∙ 10-18 |
Iк при Uэ = 0,015 В ∙ 10-18 |
Iк при Uэ = 0,02 В ∙ 10-18 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-87,361 |
540,1866 |
-37,37 |
-3,908 |
36,553 |
-1096,664 |
-469,1164 |
-1046,673 |
-1013,211 |
-972,75 |
-8673,68 |
-8046,1324 |
-8623,689 |
-8590,227 |
-8549,766 |
-11,2489 |
-11,248899… |
-11,248899… |
-11,248899… |
-11,248899… |
6,808е+35 |
620,74е-65 |
43,181е-65 |
76,645е-65 |
117,106е-65 |
4,203е+52 |
623,345е-48 |
45,788е-48 |
79,25е-48 |
119,711е-48 |
2,493е+69 |
625,055е-31 |
47,498е-31 |
80,96е-31 |
121,421е-31 |
1,509е+86 |
626,039е-14 |
48,482е-14 |
81,944е-14 |
122,405е-14 |
По полученным данным из таблицы 2.1 строится график зависимости представленный на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 - Выходная характеристика транзистора
2.3.3 Расчет
и построение входных
Ток эмиттера рассчитывается по формуле (2.2).
(2.2)
При UK - const и различных значениях Uэ получается таблицу 2.2.
Таблица 2.2
Значения тока эмиттера при различных значениях UЭ
|
Iэ при UK = 0 В |
Iэ при UK - ∞ В |
Iэ при UK = 0.03 В |
0 |
-0,033 |
0,058 |
-0,0 |
-0,046 |
0,039 |
-0,044 |
-0,067 |
0,042 |
-0,068 |
-0,078 |
-4,432е-8 |
-0,016 |
-0,138 |
-0,043 |
-0,185 |
-0,154 |
-0,126 |
-0,298 |
-0,246 |
-0,202 |
-0,353 |
-0,374 |
-0,348 |
-0,516 |
-0,605 |
-0,476 |
-0,840 |
-0,795 |
-0,767 |
Для построения входной характеристики нужны значения тока базы, которое рассчитывается по формуле (2.3).
IБ = -(IЭ + IК ), А (2.3)
Полученные результаты тока базы показаны в таблице (2.3).
Таблица 2.3
Значения тока базы
IБ, мА |
||
0 |
0,027 |
-0,075 |
3,748е-3 |
0,031 |
-0,071 |
7,068е-3 |
0,033 |
-0,064 |
0,034 |
0,057 |
-0,029 |
0,073 |
0,092 |
5,034е-4 |
0,119 |
0,157 |
0,068 |
0,224 |
0,240 |
0,149 |
0,339 |
0,365 |
0,268 |
0,521 |
0,544 |
0,454 |
0,801 |
0,815 |
0,730 |
По значениям токов и напряжений построим зависимость тока базы от напряжения UБЭ представленную на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 - Входные характеристики транзистора
- Расчет концентрации не основных носителей
Исходные данные:
We = 2,7 мм - ширина эмиттерной области;
W6 = 3,2 мм - ширина базовой области;
WK = 5,1 мм - ширина коллекторной области;
X = 4 мм
2.3.5 В эмиттерной области:
Концентрация в эмиттерной области рассчитывается по формуле (2.4).
(2.4)
Из формулы (2.4) следует, что Uэ = 0,006 В
Из формулы (2.4) следует, что неизвестно концентрация эмиттера который рассчитывается по формуле (2.5).
Исходя из формул (2.4), (2.5) строится график распределения концентрации от координат в эмиттерной области – рисунок 2.8.
Рисунок 2.8 График распределения концентрации от координат в эмиттерной области
- В базовой области:
Концентрация в базовой области рассчитывается по формуле (2.6).
(2.6)
Исходя из формул (2.6)-(2.8) получаем значения UЭ = 0,005 В, UK = 1,4 В. Строится график распределения концентрации в базовой области – рисунок 2.9.
Рисунок 2.9 - График распределения концентрации в базовой области
Концентрация в эмиттерной области рассчитывается по формуле (2.9).
где концентрация коллекторной области рассчитывается по формуле (2.10).
Строится график концентрации в коллекторной области – рисунок 2.10.
