Контрольная работа по «Физические основы электроники»

В случае подключения к p-n-переходу прямого напряжения, направление внешнего электрического поля Eпр, противоположно направлению внутреннего электрического поля Eвнутр, вследствие чего, оно ослабляется. В результате происходит уменьшение энергетического барьера.

 

Схематически это можно изобразить так:

 

 

 

 

 

 

Зонная энергетическая диаграмма для случая прямого подключения будет выглядеть так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь: WF – уровень Ферми, Wпр – уровень проводимости, Wв – валентный уровень. При построении диаграммы учитываем, что уровень Ферми в области n выше, чем в области p.

В случае подключения к p-n-переходу обратного напряжения, направление внешнего электрического поля Eпр, сонаправлено внутреннему электрическому поля Eвнутр, вследствие чего, оно усиливается. В результате происходит уменьшение энергетического барьера. Схематически это можно изобразить так:

 

 

 

 

 

 

Зонная энергетическая диаграмма для случая обратного подключения будет выглядеть так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из-за различия уровней Ферми через p-n-переход осуществляется направленное движение неосновных носителей (электронов из области p и дырок из области n).

10. Построим вольт-фарадную характеристику по данным из табл. 3.

Таблица 3

Uпр, В	-2	-1	-0,2	-0,15	-0,1	-0,05	0,35	0,375	0,4	0,45	0,5
Сдиф, нФ							20,4	50	135,4	892,3	5892,3
Сбар, нФ	0,49	0,62	0,88	0,91	0,94	0,97	1,5	1,6	1,7	2,0	2,4

 

Вольт-фарадная характеристика для диффузной емкости

Вольт-фарадная характеристика для барьерной емкости

 

11. Так как p-n-переход – нелинейный, то rдиф зависит от режима работы, т.е. от положения рабочей точки. Рабочая точка на прямой ветви задается током, а на обратной – напряжением.

Дифференциальное сопротивление вычислим по формуле:

 Ом

Сопротивление постоянному току рассчитаем по формуле . Согласно значениям, полученным нами в п. 8, в  рабочей точке U = 1 В, 
I = 0,8 × 10-9 А. Получим:

 Ом

 Самое важное свойство p-n-перехода – на прямой ветви он оказывает проходящему току незначительное сопротивление, в то время как на обратной ветви оказываемое сопротивление очень велико.

Iпр >> Iобр

12. Для малых сигналов в заданной рабочей точке нелинейный 
p-n-переход заменяют линейной электронной моделью.

а) При U = Uобр = 1B, rдиф → ∞, поэтому в модели остается только С = Сбар = 
= 0,62 нФ:

б) При Iпр = 10 мA, rдиф = 2,59 Ом, также в модели присутствует C = Cбар + 
+ Cдиф. Модель p-n-перехода в этом случае выглядит так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №2

 

Задана полупроводниковая структура, в которой управление током в объемном канале осуществляется с помощью поперечного электрического поля. Напряжение отсечки Uотс = -5,5 В. Удельная крутизна .

1) Определить тип канала (p или n).

2) Нарисовать заданную структуру, указать полярность питающих напряжений, назвать выводы и пояснить принцип полевого управления током.

3) Рассчитать и построить на одном графике стоко-затворные ВАХ в режиме насыщения для двух значений длин канала L = L1, удельной крутизне и L2 = 2L1. Сделать вывод о влиянии управляющего действия напряжения затвора на длину канала.

4) Рассчитать и построить зависимость крутизны S от напряжения на затворе для двух значений L.

5) Для трех самостоятельно выбранных значений напряжения на затворе определить напряжения насыщения на стоке и построить семейство стоковых ВАХ, выделив омический участок и участок насыщения.

 

Решение:

 

Структура с объемным каналом:

 

1. Ток в канале создается дрейфом его основных носителей заряда. Электрод, от которого носители уходят в канала, называют истоком (И), а электрод, принимающий носители в канале – стоком (С). Исток, канал и сток имеют одинаковый тип электропроводности (n или p). Если канал n-типа, то рабочие носители – электроны и полярность напряжения на стоке – отрицательная (UСИ < 0). Если канал p-типа, то рабочие носители – дырки и полярность напряжения на стоке – положительная (UСИ > 0).

 Uотс = -5,5 В, следовательно мы имеем канал n-типа, рабочие носители заряда – электроны и полярность напряжения на стоке – отрицательная (UСИ < 0).

2. Данный полевой транзистор обладает структурой с объемным каналом и управляющим p-n-переходом.

Принцип работы данного устройства можно описать следующим образом: транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой кремниевую пластину, имеющую электропроводность p-типа, от конца которой сделаны два вывода – электроды стока и истока. Вдоль пластины выполнен p-n-переход, от которого сделан третий вывод – затвор. Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает p-n-переход в обратном направлении. Сопротивление области, которая находится под p-n-переходом, носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала. Таким образом, работа данного полевого транзистора основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения – при напряжения, больших чем Uотс p-n-переход полностью перекрывает канал и происходит отсечка тока.

3. Стоко-затворные ВАХ в режиме насыщения (UСИ > UСИ нас) хорошо аппроксимируются квадратичной зависимостью

, где b – удельная крутизна. Эта величина определяется электрофизическими и геометрическими размерами структуры. В частности, она пропорциональна отношению ширины канала Z к его длине L, т.е. b ~ Z/L.

Важным параметром полевого транзистора является крутизна стоко-затворной ВАХ. Она характеризует управляющее действие затвора:

,   

Проведем расчеты и внесем данные в таблицу:

Таблица 1

	UЗИ, В	0	-0,5	-1,5	-2,5	-3,5	-4,5	-5,5
L1	Iс, мА	4,5	3,75	2,4	1,35	0,6	0,15	0
	S, мСм	1,65	1,5	1,2	0,9	0,6	0,3	0
L2	Iс, мА	2,25	1,875	1,2	0,675	0,3	0,075	0
	S, мСм	0,825	0,75	0,6	0,45	0,3	0,15	0

 

Стоко-затворная ВАХ.

 

4. Важным параметром структуры является крутизна стоко–затворной ВАХ. Она характеризует управляющее действие затвора и определяется по формуле:

S = b| UПОР – UЗИ |

Крутизна [S] – величина положительная и зависит от режима работы, т.е. в каждой точке своя крутизна.

При построении графиков будем пользоваться таблицей 1.

 

Таблица 1

UЗИ, В	0	-0,5	-1,5	-2,5	-3,5	-4,5	-5,5
S1, мСм	1,65	1,5	1,2	0,9	0,6	0,3	0
S2, мСм	0,825	0,75	0,6	0,45	0,3	0,15	0

 

График крутизны стоко-затворной ВАХ

 

5. Различают два основных режима работы полярного транзистора – омический и насыщения. В первом режиме ток стока линейно зависит от UСИ, т.е. подчиняется закону Ома, и структура является резистором. Во втором – ток стока очень слабо зависит от UСИ. Напряжение на стоке, при котором наступает режим насыщения, равно UСИ нас = UЗИ – Uотс Другими словами, напряжение отсечки, определенное при малом напряжении UСИ < UСИ нас, численно равно напряжению насыщения при UЗИ = 0, а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе UЗИ равно разности напряжения отсечки и напряжения затвор-исток.

Возьмем три значения напряжения между затвором и истоком:

UЗИ = -6,5 В, -8,5 В, -9,5 В, тогда значения напряжений насыщения будут соответственно равны UСИ нас = -1 В, -3 В, -4 В.     

Рассчитаем в каждом случае, чему будут равны значения тока насыщения:

IС max = 0,05 А; 0,45 А; 0,8 А. 

Построим графики.

Сплошной линией на графике показан режим работы на омическом участке, пунктиром – режим работы на участке насыщения. На омическом участке зависимость тока от напряжения сток-исток практически линейная. По мере роста напряжения характеристика IС все больше отклоняется от линейной – это хорошо видно на графиках выходных характеристик реальных полевых транзисторов.  При значительном увеличении напряжения у стокового конца (реального полевого транзистора) наблюдается пробой p-n-перехода.