Содержание

	Стр.
1 Принцип действия полевого транзистора
2 Вольт-фарадная характеристика МОП-структуры
3 Расчет стоковых и стокозатворных характеристик
4 Определение напряжения насыщения и напряжения отсечки
5 Расчет крутизны стокозатворной характеристики и проводимости канала
6 Максимальная рабочая частота транзистора

1 Принцип действия транзистора
В отсутствии смещений (U_З =0,  U_С =0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен дырками из-за наличия ловушек на границе кремний – оксид кремния и наличия положительных ионов в пленке диэлектрика. Соответственно энергетические зоны искривлены вниз, и начальный поверхностный потенциал положительный. По мере роста положительного напряжения на затворе дырки отталкиваются от поверхности. При этом энергетические зоны сначала выпрямляются, а затем искривляются вниз, т.е. поверхностный потенциал делается отрицательным.

Существует некоторое пороговое напряжение , по превышении которого энергетические зоны искривляются настолько сильно, что в близи поверхностной области образуется инверсный электрический сой, именно этот слой играет роль индуцированного канала.
1.1 Равновесное состояние

Рисунок 1.1 – Равновесное состояние
Т.к. U_З =0, то контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником равна нулю, то энергетические зоны отображаются прямыми линиями. В таком положении уровень Ферми постоянен при U_З =0, полупроводник находится в равновесном состоянии, т.е. pn = p_i² и ток между металлом и полупроводником отсутствует.
1.2 Режим обогащения (U_З >0)
Если U_З >0, то возникает поле направленное от полупроводника к затвору. Это поле смещает в кремнии основные носители (электроны) по направлению к границе раздела кремний – оксид кремния. В результате на границе возникает обогащенный слой с избыточной концентрацией электронов. Нижняя граница зоны проводимости, собственный уровень и верхняя граница валентной   зоны изгибаются вниз.


Рисунок 1.2 – Режим обогащения
1.3 Режим обеднения (U_З <0)

Если U_З <0, то возникает электрическое поле направленное от затвора к подложке. Это поле выталкивает электроны с границы раздела Si – SiO₂ в глубь кристалла оксида кремния. В непосредственной близости возникает область обедненная электронами.



Рисунок 1.3 – Режим обеднения
1.4 Режим инверсии (U_З <<0)

При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения U_З , увеличивается поверхностный электрический потенциал U_S . Данное явление является следствием того что энергетические уровни сильно изгибаются вверх. Характерной особенностью режима инверсии является, то что уровень Ферми и собственный уровень пересикаются.


Рисунок 1.4 – Режим инверсии

1-    инверсия;

2-    нейтральная.
1.5 Режим сильной инверсии

Концентрация дырок в инверсной области больше либо равна концентрации электронов.
1.6 Режим плоских зон


Рисунок 1.5 – Режим плоских зон

1 - обогащенный слой неосновными носителями при отсутствии смещающих напряжений изгибает уровни вниз.



2 Вольт-фарадная характеристика МОП-структуры
Удельная емкость МОП-конденсатора описывается выражением:
                                                                                                          (2.1)

где:

                                                                                                                (2.2)

                                          

                                         (2.3)

- удельная емкость, обусловленная существованием области пространственного заряда.

                                                                                                               (2.4)

- емкость обусловленная оксидным слоем.
Эквивалентную схему МОП-структуры можно представить в виде двух последовательно соединенных конденсатора:

Рисунок 2.1 – Эквивалентная схема МОП-структуры

Таблица 2.1 – Зависимость емкости от напряжения на затворе

Рисунок 2.2 – График зависимости емкости от приложенного напряжения на затворе

Рисунок 2.3 – Отношение С/С₀ как функция напряжения,  приложенного к затвору




3 Вольт-амперные характеристики

3.1 Стоковые характеристики

Формула описывающая вольт-амперную характеристику имеет вид:
                                        (3.1)

где

                                                      (3.2)

- пороговое напряжение

                                                         (3.3)
                                              (3.4)

- напряжение Ферми


                                                  (3.5)

- плотность заряда в обедненной области
Таблица 3.1 – Таблица значений токов и напряжений стоковой характеристики

UC [B]	UЗ = 9	UЗ = 10	UЗ = 11	UЗ = 12	UЗ = 13
			IC [A]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16	0.000 2.322e-3 4.334e-3 6.037e-3 7.431e-3 8.515e-3 9.290e-3 9.756e-3 9.913e-3 9.761e-3 9.299e-3 8.528e-3 7.448e-3 6.058e-3 4.359e-3 2.351e-3 3.399e-5	0.000 2.631e-3 4.952e-3 6.965e-3 8.668e-3 0.010 0.011 0.012 0.012 0.013 0.012 0.012 0.011 0.010 8.689e-3 6.990e-3 4.982e-3	0.000 2.940e-3 5.571e-3 7.892e-3 9.905e-3 0.012 0.013 0.014 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.014 0.013 0.012 9.930e-3	0.000 3.249e-3 6.189e-3 8.820e-3 0.011 0.013 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.019 0.019 0.018 0.017 0.016 0.015	0.000 3.559e-3 6.808e-3 9.748e-3 0.012 0.015 0.017 0.018 0.020 0.021 0.022 0.022 0.022 0.022 0.022 0.021 0.020

Рисунок 3.1 – График зависимости тока стока от функции напряжения стока при постоянных значениях напряжения на затворе
3.2 Стоко-затворная характеристика

при U_C =4B
Таблица 3.2 – Таблица значений токов и напряжений стокозатворной характеристики

UЗ [B]	IC [A]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9	3.703e-3 3.826e-3 3.950e-3 4.074e-3 4.197e-3 4.321e-3 4.445e-3 4.569e-3 4.692e-3 4.816e-3

Рисунок 3.2 – График зависимости тока стока от напряжении на затворе



4 Напряжения насыщения и отсечки

Напряжение отсечки описывается выражением:
                                                        (4.1)
Напряжение насыщение описывается формулой:
                                     (4.2)

где:

                                                (4.3)

- толщина обедненного слоя.
Таблица 4.1 – Таблица данных напряжения стока и напряжения насыщения

UЗ	UНАС	UОТ
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5	0.92 1.59 2.45 3.50 4.730 6.14 7.7411 9.5 11.4890 13.63 15.973	0.2387 0.410 0.62 0.8911 1.2 1.55 1.9583 2.4063 2.9 3.4 4.0

Рисунок 4.1 – График зависимости напряжения насыщения от напряжения на затворе


Рисунок 4.2 – График зависимости напряжения отсечки от напряжения на затворе
5 Крутизна стокозатворной характеристики и проводимость канала

5.1 Крутизна стокозатворной характеристики описывается выражением:
                                               (5.1)

где:

                                         (5.2)


5.2 Проводимость канала:
                                              (5.3)

    



6 Максимальная рабочая частота транзистора
Максимальная рабочая частота при определенном напряжении стока описывается формулой:

                                                        (6.1)
Таблица 6.1 – Таблица значений частоты при фиксированном напряжении стока

Uc	fmax
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13	0.000 8.041e6 1.608e7 2.412e7 3.217e7 4.021e7 4.825e7 5.629e7 6.433e7 7.237e7 8.041e7 8.846e7 9.650e7 1.045e8

Рисунок 6.1 – График зависимости частоты транзистора от напряжения на стоке.



Список использованной литературы

1 Л. Росадо «ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА»     М.-«Высшая школа» 1991 – 351 с.: ил.

2 И.П. Степаненко «ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТРАНЗИСТОРОВ И ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ», изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1973. 608 с. с ил.