close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовой проект ВИП часть 2 (2)

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
Курсовая работа по предмету:
Вакуумная и плазменная электроника
Часть 2: Расчёт параметров кремниевого интегрального биполярного n-р-n транзистора.
Вариант № 8
Выполнила: . Проверил: Козлов А. Дата: 10.11.2013
Москва 2013
Содержание
Введение...стр.3
Исходные данные...стр.4
Задание...стр.5
Теоретические сведения...стр.6
Структура и топология биполярного транзистора...стр.17
Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры...стр.18
Примесный профиль и его параметры...стр.20
Расчет p-n переходов, толщины слоев и граничных концентраций примеси...стр.22
Расчет барьерных емкостей p-n переходов...стр.24
Расчет коэффициентов передачи эмиттерного и базового токов...стр.24
Расчет диффузионной емкости эмиттерного перехода...стр.26
Факультативные задания:
Расчет параметров малосигнальной эквивалентной схемы...стр.26
Расчет границчных частот в схемах ОБ, ОЭ и предельной частоты...стр.28
Расчет напряжения Эрли...стр.29
Выводы по работе...стр.30
Используемая литература...стр.31
Введение
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Термин "биполярный" подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, - дырок и электронов. Транзистор имеет три области полупроводника, называемые его электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - противоположный. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему. Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда. Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования. Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, инжектируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Легируется коллектор значительно слабее эмиттера. Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор[1]. Исходные данные
1технология изготовления БПТ: с боковой диэлектрической изоляцией.2Глубина технологического перехода эмиттер-база xje, мкм0,53глубина технологического перехода коллектор-база xjc, мкм14толщина эпитаксиального коллектора hc, мкм35поверхностная концентрация эмиттерной примеси Nes, см-3〖2∙10〗^206поверхностная концентрация базовой примеси Nbs, см-3〖6∙10〗^187концентрация примеси в эпитаксиальном коллекторе Nc, см-3〖1∙10〗^178максимальная концентрация примеси в n+ - коллекторе Nc+ , см-3〖10〗^199толщина n+ - коллектора hc+, мкм210площадь эмиттерного перехода aе х bе, мкм, мкм3х1011площадь коллекторного перехода aс х bс, мкм, мкм5х1512Размер контактного окна, длина изолирующей области Δ, мкм213время жизни неосновных носителей в эмиттере τ_е, мкс2014время жизни неосновных носителей в базе τ_в, мкс20015время жизни неосновных носителей в коллекторе 〖 τ〗_с, мкс100016Диффузанты: эмиттер,коллектор-Р; база - В; n+ -коллектор - As-17Концентрация примеси в подложке N_s, см-3〖10〗^15Задание
1. Нарисовать масштабный эскиз биполярного транзистора и разработать
топологический чертеж структуры.
2. Привести малосигнальную эквивалентную схему и объяснить смысл ее элементов.
3. При заданных исходных данных для V_bc=-2 B,I_e=0,1мА (V_be≈0.8 B) рассчитать:
-параметры примесного профиля
- параметры p-n переходов, толщины слоев и граничные концентрации примеси - построить результирующее распределение примеси в одномерном
вертикальном сечении эмиттера
- барьерные ёмкости p-n-переходов
- коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов
- диффузионную емкость эмиттерного перехода.
Факультативно: 4. Рассчитать параметры эквивалентной схемы п. 2. 5. Рассчитать граничные частоту в схемах ОБ, ОЭ и предельную частоту для режима: V_bc=-2 B,I_e=0,1мА 6. Рассчитать параметры эквивалентной схемы Эберса-Молла для большого сигнала. 7. Рассчитать напряжение Эрли. 8. Результаты расчетов оформить в виде презентации и доклада.
Теоретические сведения
Устройство и принцип действия
Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и пригодный для усиления мощности.
Выпускаемые в настоящее время биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:
по материалу: германиевые и кремниевые;
по виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;
по мощности: малой (Рмах  0,3Вт), средней (Рмах  1,5Вт) и большой мощности (Рмах  1,5Вт);
по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.
В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (или основными и неосновными). Отсюда их название - биполярные.
В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно транзисторы с плоскостными р-n- переходами.
Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематично на рис. 1.
Рис. 1 Биполярные транзисторы
Он представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области - электронную электропроводность.
Транзисторы типа р-n-р имеют среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной электропроводностью.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n- перехода: эмиттерный - между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного перехода.
Эмиттером называется область транзистора назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а их концентрация в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера на несколько порядков выше проводимости базы, а проводимость коллектора несколько меньше проводимости эмиттера.
От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).
Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.
Рассмотрим принцип действия транзистора на примере транзистора р-n-р -типа, включенного по схеме с общей базой (рис. 2).
Рис. 2 Принцип действия биполярного транзистора (р-n-р- типа)
Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Ек подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (прямое напряжение), а коллекторного перехода П2 - в обратном направлении (обратное напряжение).
Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток Iко (единицы микроампер). Этот ток возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек. Величина обратного тока коллектора не зависит от напряжения на коллекторе, но зависит от температуры полупроводника. При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование (впрыскивание) дырок в базу.
Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Ек. Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.
Под действием обратного напряжения Ек потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, толщина перехода П2 увеличивается. Но потенциальный барьер коллекторного перехода не создает препятствия для прохождения через него дырок. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в сильное ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и экстрагируются (втягиваются) коллектором, создавая коллекторный ток Iк. Коллекторный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек.
Таким образом, в транзисторе протекает три тока: ток эмиттера, коллектора и базы.
В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Следовательно, ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: IБ = IЭ - IК.
Физические процессы в транзисторе типа n-р-n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р-n-р.
Полный ток эмиттера IЭ определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток Iк. Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. IЭ = IБ + Iк.
Ток эмиттера является входным током, ток коллектора - выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е.
где - коэффициент передачи тока для схемы ОБ;
Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент 1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина  составляет 0,950,995.
В схеме с общим эмиттером выходным током является ток коллектора, а входным - ток базы. Коэффициент усиления по току для схемы ОЭ:
тогда Следовательно, коэффициент усиления по току для схемы ОЭ составляет десятки единиц.
Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор, управляемый током. Изменения тока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностью передаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к. напряжение источника коллекторного питания Ек значительно больше, чем эмиттерного Еэ, то и мощность, потребляемая в цепи коллектора Рк, будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Рэ. Таким образом, обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепи транзистора малой мощностью, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет место усиление мощности.
Схемы включения биполярных транзисторов
В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов (электрод) является входным, второй - выходным, а третий - общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Эти схемы для транзистора типа р-n-р приведены на рис. 3. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора (в активном режиме) полярность включения источников питания должна быть выбрана так, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.
Рис. 3 Схемы включения биполярных транзисторов: а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК
Статические характеристики биполярных транзисторов
Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.
Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ
Входной характеристикой является зависимость:
IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (рис. 4, а).
Выходной характеристикой является зависимость: IК = f(UКБ) при IЭ = const (рис. 4, б).
а)б)
Рис. 4 Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ
Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 - сильная зависимость Iк от UКБ (нелинейная начальная область); 2 - слабая зависимость Iк от UКБ (линейная область); 3 - пробой коллекторного перехода.
Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.
Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ:
Входной характеристикой является зависимость:
IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (рис. 5, б).
Выходной характеристикой является зависимость: IК = f(UКЭ) при IБ = const (рис. 5, а).
а)б)
Рис. 5 Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ
Транзистор в схеме ОЭ дает усиление по току. Коэффициент усиления по току в схеме ОЭ: Если коэффициент  для транзисторов  = 0,90,99, то коэффициент  = 999. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме ОЭ, чем, в частности, определяется более широкое практическое применение этой схемы включения по сравнению со схемой ОБ.
Из принципа действия транзистора известно, что через вывод базы протекают во встречном направлении две составляющие тока (рис. 6): обратный ток коллекторного перехода IКО и часть тока эмиттера (1 - )IЭ. В связи с этим нулевое значение тока базы (IБ = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т.е. (1 - )IЭ = IКО. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера IЭ=IКО/(1-)=(1+)IКО и ток коллектора Иными словами, при нулевом токе базы (IБ = 0) через транзистор в схеме ОЭ протекает ток, называемый начальным или сквозным током IКО(Э) и равным (1+ ) IКО.
Рис. 6 Схема включения транзистора с общим эмиттером (схема ОЭ)
Основные параметры
Для анализа и расчета цепей с биполярными транзисторами используют так называемые h - параметры транзистора, включенного по схеме ОЭ.
Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме ОЭ, характеризуется величинами IБ, IБЭ, IК, UКЭ.
В систему h - параметров входят следующие величины:
1. Входное сопротивление
h11 = U1/I1 при U2 = const, представляет собой сопротивление транзистора переменному входному току при котором замыкание на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения.
2. Коэффициент обратной связи по напряжению:
h12 = U1/U2 при I1 = const. показывает, какая доля входного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем.
3. Коэффициент усилия по току (коэффициент передачи тока):
h21 = I2/I1 при U2 = const.
показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.
4. Выходная проводимость:
h22 = I2/U2 при I1 = const. представляет собой проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.
Выходное сопротивление Rвых = 1/h22.
Для схемы с общим эмиттером справедливы следующие уравнения:
где
Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы мощность, выделяемая в нем при прохождении коллекторного тока, не превышала некоторой максимальной величины[4]:
Кроме того, существуют ограничения по коллекторному напряжению:
и коллекторному току:
Структура и топология биполярного транзистора
Примерный вид сечения биполярного транзистора и его топологии в соответствии с принятыми обозначениями размеров показаны на рисунке 7.
Рис. 7
Масштабный эскиз двухмерного сечения (a) и топологии (б) биполярного транзистора в соответствии с вариантом задания приведен на рисунке 8.
Рис. 8 Масштабный эскиз и топология биполярного транзистора
Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры
На рисунке 9 показана малосигнальная эквивалентная схема, описывающая работу транзистора в нормальном режиме, что позволяет существенно упростить схему, а также учесть эффект Эрли, который в полной эквивалентной схеме учитывать сложно.
Рис. 9 Малосигнальная эквивалентная схема Джиаколетто для n-p-n транзистора.
Здесь: С - вывод коллектора S - вывод подложки B - вывод базы E - вывод эмиттера c - "внутренний" коллектор e - "внутренний" эмиттер b - "внутренняя" база СE, СC - барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов CS - барьерная емкость перехода коллектор-подложка СEd - диффузионная емкость эмиттерного перехода re - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rb - сопротивление тела базы rс' - сопротивление тела коллектора
rс - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода - следствие эффекта Эрли. Источник напряжения моделирует внутреннюю обратную связь для эффекта Эрли. Источник тока моделирует собираемые коллектором носители. На рисунке 9 приведена эквивалентная схема биполярного транзистора, построенная на основе модели Эберса-Молла. Схема описывает только малые переменные составляющие токов и напряжений в нормальном активном режиме, поэтому в ней нет источника тока, моделирующего собираемый ток закрытого коллекторного перехода. Инерционные свойства коэффициента передачи тока учитываются путем введения диффузионной емкости эмиттера Сed. При этом коэффициент передачи α в генераторе тока α_N I ̇_e^, действительным числом, не зависящим от частоты. Эмиттерный диод заменен дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода, которое может быть определено из соотношения: r_e=φ_T/I_e .
Сопротивление rc и источник тока μV ̇_bc связаны с эффектом Эрли. Транзисторный эффект моделируется генератором тока αI ̇_1 . Ток этого генератора связан не с полным током эмиттера I ̇_e, а только с той его частью, которая течет через сопротивление re. Часть эмиттерного тока, протекающая через барьерную емкость эмиттерного перехода Ce, не связана с инжекцией носителей заряда в базу и не может отразиться на коллекторном токе. Примесный профиль и его параметры
Примесный профиль определяет суммарную концентрацию легирующей примеси в каждой точке соответствующего сечения транзисторной структуры. Основными параметрами профиля являются: - поверхностные концентрации легирующих примесей для эмиттера, базы и коллектора: Nes, Nbs, Nc - глубины залегания металлургических границ р-п- переходов эмиттер-база, база-коллектор: Xje, Xjc - эффективная концентрация примеси в эмиттере Ne* - градиенты концентрации результирующей примеси в плоскостях технологических переходов Профиль задается как сумма распределений доноров в эмиттере, коллекторе и акцепторов в базе, как показано на рисунке 10[2].
Рис. 10 Профиль распределения доноров и акцепторов в сечении биполярного n-p-n-транзистора (a) и суммарное (результирующее) распределение (б)
Распределение акцепторов в базе имеет вид:
N_ab (x)=N_bs exp((-x^2)⁄(L_b^2 )) (1)
L_b=□(x_jc/√(〖ln(〗⁡〖N_bs⁄N_c )〗 ))=□(1/√(〖ln(〗⁡〖(6∙〖10〗^18)⁄〖10〗^17 )〗 ))=0,495 мкм
Распределение доноров в эмиттере имеет вид:
N_de (x)=N_es exp((-x^2)⁄(L_e^2 )) (2)
L_e=□(x_je/√(〖ln(〗⁡〖N_es⁄((N_bs exp((-x_je^2)⁄(L_b^2 )) )-N_c)〗 ))=0,5/√(〖ln(〗⁡〖(2∙〖10〗^20)⁄((6∙〖10〗^18 exp((-〖0,5〗^2)⁄〖0,495〗^2 ) )-〖10〗^17)〗 )=0,234 мкм.
При выполнении работы необходимо использовать результирующее распределение. В эмиттере: N_e (x)=N_d (x)-N_a (x)+N_c= (3)
В базе:
N_b (x)=N_d (x)-N_a (x)-N_c=(4)
Вид результирующего распределения примеси (в соответствии с заданием) в полулогарифмическом масштабе для областей эмиттера, базы и слаболегированного коллектора показан на рисунке 11.
Рис. 11 Примесный профиль
Эффективная концентрация примеси в эмиттере рассчитывается как:
N_e^* (x)=N_dm th((N_d (x))⁄N_dm ) (5)
Для фосфора N_dm=4.3∙〖10〗^18 〖см〗^(-3) . Почти во всем эмиттере N_е (x)=N_dm. Градиенты концентрации результирующей примеси в плоскостях технологических переходов составляют:
38∙1022 - 8,827∙1022 = 2,9∙1023 см-4.
= = = 8,8162∙1022 см-4.
Расчет р-n переходов, толщины слоев и граничных концентраций примеси
Обычно р-n переходы в интегральных транзисторах близки к линейным.
В эмиттерном переходе :
; (6) , (7) - контактная разность потенциалов, - равновесная ширина перехода.
Уравнения решаются методом итераций: пусть 0,953 В; 0,063 мкм.
В коллекторном переходе:
, (8) , (9)
Уравнения решаются методом итераций: пусть 0,8 В
0,9 В; 0,093 мкм.
В заданном режиме Vbe=0.8B, Vbc=-2B: 0,0342мкм; 0,137 мкм.
Границы р-n переходов и граничные концентрации примеси в рабочем режиме:
=4∙1017 см-3.
=0,53∙1017 см-3.
Среднюю концентрацию примеси в базе(эмиттере) можно определить из рис. 13, разбив базу на 5 равных частей. 5,5461017 см-3.
Толщина базы: = 0,4144 мкм.
Толщина эмиттера: = 0,4 - 0,085 = 0,4685 мкм.
Вид результирующего распределения примеси с учетом границ ОПЗ p-n- переходов в рабочем режиме показан на рисунке 13.
Рис. 13 Результирующее распределение примеси и границы p-n-переходов в рабочем режиме
Расчет барьерные емкости р-n переходов
Для эмиттерного перехода:
= 3,42∙10-7 Ф/см. Для коллекторного перехода:
= 8∙10-8 Ф/см.
Полные емкости:
= 3,4210-7∙310-7 = 102,6 фФ. = 810-8∙7,510-7 = 60 фФ.
Расчет коэффициентов передачи эмиттерного и базового токов
Для определения коэффициентов ∝_Nи β_N n-p-n-биполярного транзистора необходимо последовательно рассчитать:
- подвижность электронов в p-базе: ¯μ_n=μ_n (¯N_b) - число Гуммеля в базе: Gb - подвижность дырок в n-эмиттере : ¯μ_p=μ_p (¯N_e)
- эффективное число Гуммеля в эмиттере: Ge* - эффективность эмиттера: γ - фактор поля: η - время пролета электронов через базу: T - коэффициент переноса: κ - собственно коэффициенты ∝_Nи β_N Зависимость описывается соотношением [3]:
5,5461017 см-3.
1300 см2/Вс, 85 см2/Вс, = 31015 см-3, = 1019 см-3,  = 0,115.
= 519см2/Вс.
.
0,026  519 = 13,51 см2/с;
Число Гуммеля в базе: (10)
1,71012 см-4 с.
Эффективное число Гуммеля в эмиттере: (11)
. .
Зависимость описывается соотношением:
где 50 см2/Вс, 480 см2/Вс, N_1=〖10〗^16 〖см〗^(-3), N_2=〖10〗^19 〖см〗^(-3).  =0,13. Во всем эмиттере: (N_e ) ̅=4,3∙〖10〗^18 〖см〗^(-3)=Ndm
50 см2/Вс ; 0,026  50 = 1,3 см2/с.
15,49∙1013 см-4 с.
Эффективность эмиттера:
, поэтому: = 0,99.
Фактор поля в базе: ŋ=ln⁡〖N_be/N_bc =ln⁡〖4/0,53〗=2,02〗(замедляющее поле)
Время пролета электронов через базу для бездрейфового транзистора: 0,0634 пс.
С учетом дрейфа (поля в базе):
0,036 пс << . Коэффициент переноса определяется соотношением
(12)
=0,9998
Коэффициент передачи эмиттерого тока:
∝_N=∙к=0,99∙0,9998=0,989
Коэффициент усиления (передачи) базового тока: = 90.
Расчет диффузионной емкости эмиттерного перехода
Расчет дифференциального сопротивления эмиттерного перехода:
(13)
= 260 Ом.
Диффузионная емкость:
=(0,99∙0,036∙〖10〗^(-12))/260 = 13,7 фФ.
Факультативное задание: Расчет параметров малосигнальной эквивалентной схемы
Малосигнальная схема Джиаколетто показана на рисунке 14. Параметры схемы были описаны ранее.
Рис. 14 Малосигнальная эквивалентная схема Джиаколетто для n-p-n транзистора.
В предыдущих разделах уже были рассчитаны: Ce, Cc, Ced, re.
Расчёт крутизны ВАХ: g=〖∝I〗_E⁄(φ_T=(0.989∙0.1∙〖10〗^(-3))/0.026=) 3.8 мА/В.
Наибольший вклад в rb вносит сопротивление тонкой и слаболегированной - активной базы (под эмиттером) длиной wв и площадью поперечного сечения Se=ae*be. ( r_B=r_Bact+r_Bpas≈r_Bact).
Так как 5,5461017 см-3, то подвижность дырок в p-базе μ ̅_p (N_b) определяется как: μ_p (Nb)=μ_p1 (1-0.13∙ln⁡〖N/N_1 〗)=201 см2/В с.
Рассчитываем r_B: r_B=1/(e∙N_b∙μ_p (N_b))∙w_B/(a_e∙b_e )=0.4144/(1.6∙〖10〗^(-19)∙5,546∙〖10〗^17∙201∙3∙10∙〖10〗^(-4) )=7,74 Ом.
Наибольший вклад в сопротивление тела коллектора вносит тонкий и слаболегированный n-слой под базой, а также аналогичный слой между n+- скрытым слоем и n+-контактом к коллектору, как показано на рисунке 15[3].
Рис. 15 Области, определяющие сопротивление тела коллектора и линия протекания тока в структуре.
Так как N_c=〖10〗^(-17) 〖см〗^(-3), то подвижность электронов n-коллекторе определяется как: μ_n=μ_n1 (1-0.115∙ln⁡〖N_c/N_1 〗)=955 см2/В∙с.
Рассчитываем r'c (из рисунка 8 и топологии транзистора):
r_c^'=ρ_c∙((h_c-X_jc)/(a_c∙b_c )+(h_c-X_je)/(∆〖∙b〗_c )) (14)
ρ_c=1/(〖e∙N〗_c∙μ_n (N_c))=1/(1.6∙〖10〗^(-19)∙〖10〗^17∙955)=6,54∙〖10〗^(-2) Ом∙см
r_c^'=6,54∙〖10〗^(-2)∙((3-1)/(5∙15)+(3-0,5)/(2∙15))∙〖10〗^4=71,93 Ом.
Факультативное задание: Расчет граничных частот в схемах ОБ, ОЭ
и предельной частоты
Верхняя граничная частота в схеме ОБ ω_mB: ω_mB=1/(T_N+C_E r_e+C_c (r_B+r_c^' ) )=1/(0,036+102,6∙0,260+60(0,00774+0,07193) )=3,17 Ггц.
Верхняя граничная частота в схеме ОЭ ω_mE:
ω_mE=1/(〖(1+β)(T〗_N+C_E r_e+C_c (r_E+r_c^' ) )=1/(91∙(0,036+102,6∙0,260+60(0,07193+0.260) )=23,56 Мгц.
Предельная частота (в схеме ОЭ) ω_Т:
ω_T=1/(T_N+C_E r_e+C_c (r_E+r_c^' ) )=1/(0,036+102,6∙0.260+60(0.260+0.07193) )=2,1 Ггц.
Для идеального транзистора (r_B=r_c^'=0,r_c=∞,μ=0, C_E=C_c=0):
ω_mE=1/((β+1)T_N )=0,3 Ггц.
ω_mB=ω_T=1/T_N =27,7 Ггц.
Факультативное задание: Расчет напряжения Эрли
Эффект Эрли заключается в модуляции ширины базы под действием напряжения на обратносмещенном p-n-переходе база-коллектор. Это приводит к возникновению наклона на выходных ВАХ биполярного транзистора, как показано на рисунке 16. Величина VIRL - напряжение Эрли.
Рис. 16 Проявление эффекта Эрли на выходных ВАХ биполярного транзистора в схеме ОЭ.
Для оценки VIRL можно использовать предположение о том, что это обратное напряжение на коллекторном переходе, при котором ОПЗ данного перехода расширяется так что толщина базы уменьшается до нуля[5]:
w_b=(X_jc-l_c (Vbc)/2)-(X_je+l_e (V_eb=0.8B)/2)=0
(X_jc-l_c (Virl)/2)-(X_je+l_e (V_eb=0.8B)/2)=0
X_jc-(X_je+l_e (V_eb=0.8B)/2)=l_c (Virl)/2)
, тогда V_irl=(1-(l_cirl^3)/(l_co^3 ))∙φ_kc
l_cirl=2∙(1-0,5-0,0171)=0,965 мкм
V_irl=(1-(l_cirl^3)/(l_co^3 ))∙φ_kc=-1000В.
Заключение
В ходе работы были изучены виды биполярных транзисторов, а так же принципы их работы, структура. Затем по данным варианта была нарисована топология и структура транзистора. Далее были рассчитаны основные параметры: L_b=0,495мкм, L_e=0,234мкм, по которым построен примесный профиль. Далее были рассчитаны толщины базы и эмиттера: w_b=0,4144мкм, w_е=0,4685мкм, а так же барьерные емкости: С_е=102,6фФ,С_с=60фФ и коэффициенты передачи транзистора: ∝=0,989, β=90, и некоторые другие параметры. В работе рассмотрена эквивалнетная схема транзистора и рассчитаны её параметры: r_B=7,74 Ом, r_c^'=71,93 Ом, g=3,8 мА/В^2 . В факультативной части работы так же рассмотрены частотные характеристики в разных схемах включения и рассмотрен эффект Эрли. Напряжение Эрли: V_irl=-1000 В. На многие параметры транзистора оказывает влияние концентрация носителей заряда и их подвижность.
Используемая литература.
Старосельский В.И. Физика р-n переходов и полупроводниковых диодов. М.: МИЭТ, 1993.
Парменов Ю. А. Лекции по дисциплине ВиП. МИЭТ, 2013.
Петухов В.М. Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 4. Издательство: КУбК-а, 1997. Чижма С.Н. Основы схемотехники. СПб., 2008. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М., 2005.
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
40
Размер файла
869 Кб
Теги
проект, вип, курсовой, часть
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа