|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Основные типы МОП СВЧ-транзисторов.Стр 1 из 3Следующая ⇒
Обзор литературных данных. Основные типы МОП СВЧ-транзисторов. Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT). Эквивалентные схемы транзисторов Глава 2: Применение СВЧ-транзисторов. Глава 3: Моделирование транзисторного усилительного каскада, работающего в диапазоне температур; Глава 4: Особенности технологии изготовления транзисторов МОП СВЧ - транзисторов; - Анализ полученных моделей транзисторов; p.s.последние пункты, видимо, " служебные": - Корректировка моделей; - предзащита - защита; ========== Мне удалось такое содержание уже наработать: План по факту Оглавление Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) 9 Эквивалентные схемы полевых транзисторов 11 Модели полупроводниковых приборов 13 Модель полевого транзистора 13 ......... НО времени и нервов нет разбираться, т.к. не планирую больше в электронике ковыряться, не мое это. А диплом нужен для мамы: )..: (. Мы с преподом говорили о том, что надо взять какую-нить схему замещения и привести ее формулы расчета, провести расчет - это типа моделирование ее, можно на маткаде - это в маткаде в пару кликов делается - говорил препод. Говорил он так же, что надо взять модель, простейшая - эбберса молла или любого другого и рассчитать.. Также могу предоставить доступ к " библиотеке", которую дал мне препод. ВОт ссылка на гугл диск: https: //drive.google.com/drive/folders/0B9ucDlC68cEdNWFFUEFFdkVSMHc? usp=sharing (это не все материалы, есть еще, если надо -скину))
Задание по работе над дипломом магистра: (!!!! далее идет недоделанная работа!!!! ) ПЛАН: Обзор литературных данных. Основные типы МОП СВЧ-транзисторов. Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT). Эквивалентные схемы транзисторов Применение СВЧ-транзисторов.
План по факту Оглавление Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). 9 Эквивалентные схемы полевых транзисторов. 11 Модели полупроводниковых приборов. 13 Модель полевого транзистора. 13
Обзор литературных данных Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применятся только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n–перехода или барьера Шоттки. Электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называется истоком, а электрод, через который из проводящего канала вытекают носители заряда – стоком. Проводящий канал – это область в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда. Затвор – это электрод полевого транзистора, на который подается управляющий электрический сигнал. Полевые транзисторы обладают рядом достоинств при использовании их в аналоговых переключателях, усилителях и интегральных схемах. Они имеют более высокое входное сопротивление, чем биполярные транзисторы, термостабильны, не чувствительны к эффектам накопления неосновных носителей и поэтому имеют более высокие граничные частоты и скорости переключения, менее чувствительны к наводкам. На английском языке термин «полевой транзистор» звучит как «field-effect transistor», отсюда и получилась аббревиатура FET, которая довольно прочно укрепилась в разговорной речи среди людей так или иначе связанных с электроникой. Довольно часто можно встретить фразу наподобие «да возьми пару фетов и собери на них», однако последовать этому совету не всегда представляется возможным. Аббревиатура FET является собирательной для многих типов полевых транзисторов, латинские аббревиатуры которых будут звучать как JFET, MESFET, MOSFET, HEMT, HFET, FREDFET, ISFET, DNAFET, ChemFET, HEXFET и др. И встречный вопрос «какие феты? » - уже не кажется таким дилетантским. MESFET- означает структуру транзистора «металл полупроводник». Т.е затвор не является изолированным, однако это позволяет миниатюризировать структуру и сделать возможным применение полевых транзисторов на частотах в несколько ГГц. JFET отличается от MOSFET - формированием затворной области. Если у MOSFET между каналом и затвором – изолятор (обычно диоксид кремния) у JFET обратносмещенный p-n переход. HEMT или HFET – это так называемые транзисторы с высокой подвижностью электронов, в которых используются свойства двумерного электронного газа, образующегося в некоторых гетероструктурах на границе узкозонного и широкозонного слоев гетеропары. ChemFET или химический полевой транзистор, является одним из видов полевых транзисторов и выступает в качестве химического сенсора. Он является структурным аналогом MOSFET транзистора, где заряд на управляющем электроде создаётся химическим процессом. DNAFET - ДНК полевой транзистор, использует полярные молекулы ДНК и может функционировать в качестве биосенсора. Структура DNAFET та же, что и MOSFET-транзисторов, за исключением затвора, который в DNAFET заменяется слоем иммобилизованных одноцепочеч.ных ДНК молекул, которые действуют как поверхностные рецепторы. Когда комплементарных ДНК гибридизации с рецепторами, распределение заряда вблизи поверхности изменяется, которые в свою очередь, модулирует ток через транзистор. Структура HEXFET подразумевает организацию в одном кристалле тысяч параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек, образующих шестиугольник. Такое решение позволило существенно снизить сопротивление открытого канала RDS(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. С точки зрения классификации полевых транзисторов HEXFET относятся к полевым транзисторам с индуцированным каналом, т.е. работают в режиме обогащения канала неосновными носителями, что приводит к инверсии его проводимости. Каждый из видов полевых транзисторов разработан для применения в определённой области и в каждой группе присутствуют транзисторы с различными характеристиками, что позволяет не только максимально точно подобрать полевой транзистор для вашего устройства, но и при этом упростить схемотехнику, улучшить характеристики и максимально удешевить конструкцию благодаря применению инновационных решений. МОП-структура МОП-структура — полупроводниковая структура, применяемая при производстве микросхем и дискретных полевых транзисторов. Полупроводниковые приборы на основе этой структуры называют МОП-транзисторами (от слов «металл-оксид-полупроводник», англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, сокращенно «MOSFET»), МДП-транзисторами (от слов «металл-диэлектрик-полупроводник») или транзисторами с изолированным затвором (так как у таких транзисторов затвор отделён от канала тонким слоем диэлектрика).[1] В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением, так как, по причине изолированного управляющего электрода (затвора) такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением. При подключении мощных MOSFET-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах на пределе своих возможностей) используется стандартная обвязка транзистора: 1. RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за индуктивности подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают нагрев транзистора и могут вывести его из строя (если транзистор работает на пределе своих тепловых возможностей). Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах Сток-Исток (Drain-Source). 2. Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку (обратное включение), для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки. 3. Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (сварочные инверторы, индукционные нагреватели, импульсные источники питания), то помимо защитного диода в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя. 4. Резистор, включённый между истоком и затвором, для сброса заряда с затвора. Затвор удерживает электрический заряд как конденсатор, и после снятия управляющего сигнала MOSFET-транзистор может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы не мешать управлению транзистором, но в то же время как можно быстрее сбрасывать электрический заряд с затвора. 5. Защитные диоды (супрессоры) параллельно транзистору и его затвору. При превышении напряжения питания на транзисторе (или при превышении управляющего сигнала на затворе транзистора) выше допустимого, например при импульсных помехах, супрессор срезает опасные выбросы и спасает транзистор. 6. Резистор, включённый в цепь затвора, для уменьшения тока заряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора обладает достаточно высокой ёмкостью, представляет из себя фактически конденсатор ёмкостью несколько десятков нФ, что приводит к значительным импульсным токам в момент зарядки затвора (единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить схему управления затвором транзистора. 7. Управление мощным MOSFET-транзистором, работающем в ключевом режиме на высоких частотах осуществляют с помощью драйвера — специальной схемы или готовой микросхемы, усиливающей управляющий сигнал и обеспечивающей большой импульсный ток для быстрой зарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость работы транзистора. Ёмкость затвора мощного силового транзистора может достигать тысяч пикофарад, для быстрой её зарядки требуется ток в единицы ампер. 8. Также используются оптодрайверы — драйверы совмещённые с оптопарами. Оптодрайверы обеспечивают гальваническую развязку силовой схемы от управляющей, защищая её в случае аварии. А также обеспечивают гальваническую развязку земли при управлении верхними мосфет-транзисторами в мостовых схемах. Совмещение драйвера с оптопарой в одном корпусе упрощает разработку и монтаж схемы, уменьшает габариты изделия, его стоимость и т. д. 9. В сильно зашумлённых или находящихся под большим током цепях к выходу микросхем, основанных на MOSFET-структурах, подключают два обратно включённых диода Шоттки, т. н. диодную вилку (один диод — с общего провода на вход, другой — со входа на шину питания) для предотвращения явления «защёлкивания» МОП-структуры.
Основной тип СВЧ-транзисторов – это полевые транзисторы с барьером Шотки в качестве затвора, выполненные по арсенид-галлиевой технологии. Между затвором и слоем канала введен слой нелегированного GaAs, назначение которого в повышении пробивного напряжения " затвор – сток". Разнообразные типы полевых транзисторов можно классифицировать по механизму переноса носителей. При дрейфе электронов от истока к стоку они испытывают большое количество соударений. Напряженность поля в канале полевых транзисторов обычно превышает 10 кВ/см, а среднее значение энергии электронов в установившемся режиме – 0, 3 эВ. Частота соударений при этом намного превышает 1013 с–1. Поскольку пролетное время составляет 10–12 с, носители испытывают за время пролета десятки или сотни соударений. За время 10–13 с, проходящее между двумя соударениями, носители проходят расстояние, не превышающее 400 ангстрем. При конструировании полевых транзисторов приходилось сталкиваться с проблемой падения подвижности при повышении концентрации носителей в канале, необходимой при малой длине канала. Поскольку рост концентрации носителей связан с повышением степени легирования, то возрастание концентрации доноров увеличивает вероятность столкновения носителей с ионами доноров и снижает подвижность. Использование гетеропереходов позволило разрешить это противоречие: двухмерный электронный газ обеспечивает возможность получения слоя с повышенной концентрацией носителей без увеличения концентрации доноров. Пространственное разделение ионов доноров и свободных электронов дает возможность получать высокие концентрации носителей одновременно с высокими значениями подвижности. Изменение степени легирования в данных транзисторных структурах нашло отражение в их названиях " модуляционно легированный" или " селективно легированный". Возможны и другие варианты транзисторной структуры с высокой подвижностью электронов (HEMT), например, с каналом в слое GaAs (узкозонный полупроводник) и слоем " поставщика электронов" – широкозонный полупроводник – AlInAs. Подвижность в канале GaInAs при 300 °K достигает 10000 см2/(В•с). Обеспечивается высокая плотность заряда в слое двухмерного электронного газа (3 – 4, 5)•1012 см–2. При этом необходимо отметить, что все эти качества в транзисторе с высокой подвижностью электронов (HEMT) в значительно большей степени проявляются при пониженных температурах. Одним из серьезных препятствий на пути реализации возможностей транзисторов с высокой подвижностью электронов является наличие глубоких ловушек для электронов при высоком уровне содержания алюминия в AlGa1–xAsx. Для получения слоя с двухмерным электронным газом необходимы значения X> =0, 2, но при этих значениях глубокие ловушки приводят к срыву стоковых ВАХ, повышению уровня генерационно-рекомбинационных шумов и даже к появлению эффекта фоточувствительности.
Модель полевого транзистора
Полевые транзисторы - приборы, в которых используются эффекты изменения параметров полупроводника при воздействии на него электрического поля. Полевые транзисторы по принципу действия подразделяют на приборы с управляющим pn-переходом, МДП-транзисторы, МДП-транзисторы с вертикальным каналом. Рассмотрим принцип работы МДП-транзистора (рис. 1.47):
При подаче на затвор положительного потенциала достаточной величины происходит инверсия проводимости в приповерхностном слое полупроводника подложки, в результате чего образуется канал n-типа, проводимость которого зависит от величины приложенного напряжения Таким образом, величина тока стока полевого транзистора оказывается зависящей от величины напряжения затвор-исток. Более детальное рассмотрение процессов в транзисторе приводит к тому, что ток стока зависит от напряжения сток-исток и вследствие эффекта перекрытия канала, вблизи области стока, таким образом, в целом полевой транзистор в статике представляется нелинейным источником тока вида: iс (Uзи, Uси). Полная модель полевого транзистора для не очень высоких частот может быть представлена в виде рис. 1.48.
Здесь Cзи, Сзс, Сси - нелинейные, вообще говоря, емкости, образованные перекрытием затвора с областями стока и истока, а также емкостями выводов контактов стока и истока. Нелинейную ВАХ источника тока можно аппроксимировать с достаточной точностью следующим выражением:
где S, b < 0, p > 0 – параметры аппроксимации. Для новой разновидности МДП-транзисторов – полевых приборов с вертикальной структурой характерен перегиб передаточных вольт-амперных характеристик. При этом аппроксимация ВАХ оказывается более точной в следующем виде, k> 0:
В схемотехнических САПР (PSPICE, MICROCAP) используется модель Шихмана-Ходжеса:
1 Расчет входной и выходной характеристики транзистора с использованием модели Молла – Эберса.
1.1 Расчет и построение выходных характеристик транзистора Исходные данные: ä q = 1, 6*10 –19 Кл – заряд электрона; ä ni = 1, 5*1010 см –3 – концентрация, при температуре 300 К; ä А = 1*10 –6 см2 – площадь p-n перехода; ä Дnк = 34 см2/с – коэффициент диффузии электронов в коллекторной области; ä Дрб = 13 см2/с – коэффициент диффузии дырок в базовой области; ä Ln = 4.1*10 –4 м – диффузионная длина электрона; ä UТ = 25, 8 мВ – температурный потенциал при температуре 300 К; ä Wб = 4, 9 мм – ширина базовой области; ä Nдб = 1, 1*1016 см –3 – донорная концентрация в базовой области; ä Nак = 3*1017 см –3 – акцепторная концентрация в коллекторной области;
UЭ – const
-UК = 0; 0.01; 0.05; 0.1; 1; 1.5; 2; 3; 4; 5;
Находим значение IК, затем меняя UЭ, при тех же значениях UК находим значения тока.
Таблица 1.1 – Значения IК при разных значениях UЭ
По полученным данным построим график зависимости представленный на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 – Выходная характеристика транзистора
1.2 Расчет и построение входных характеристик транзистора
UЭ = 0; 0.01; 0.02; 0.03; 0.04; 0.05; 0.06; 0.07; 0.08; 0.09
UК – const
Таблица 1.2 – Значения тока эмиттера при различных значениях UЭ
Продолжение таблицы 1.2
Для построения входной характеристики нужны значения тока базы IБ = -(IЭ + IК ) (1.3)
Таблица 1.3 – Значения тока базы
По значениям токов и напряжений построим зависимость тока базы от напряжения UБЭ представленную на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Входные характеристики транзистора
Расчет h – параметров
Для вычисления h – параметров используем характеристики транзистора полученные с использованием модели Молла – Эберса.
Рисунок 8.1 – Выходные характеристики транзистора
UКЭ =EK – IKRH, EK = IKRH + UКЭ, ЕК = 0, 057*10+(-5)=4, 43
Рисунок 8.2 – Входные характеристики транзистора
Воспользуемся формулами связи между параметрами транзистора при различных включениях.
Расчет эффекта Эрли При UЭ = const, концентрация носителей в базовой области становится функцией коллекторного напряжения:
Рисунок 11.1 – Зависимости концентраций в базовой области: 1 – в зависимости от ширины базы, 2 – как функция от приложенного UK Обзор литературных данных. Основные типы МОП СВЧ-транзисторов. |
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 998; Нарушение авторского права страницы
(1.1)
(1.2)
