Xreferat.com » Рефераты по физике » Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Херсонський національний технічний університет

Кафедра фізичної електроніки й енергетики


РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

ДО РОЗРАХУНКОВО-ГРАФИЧНОЇ РОБОТИ

з дисципліни

МОДЕЛЮВАННЯ В ЕЛЕКТРОНІЦІ”

на тему:

Моделювання розподілу домішків в базі дрейфового біполярного транзистора”


2007 р

Задани


Построить зависимость прямого коэффициента усиления по току ВN от частоты BN=f(f) и зависимость предельной частоты от тока эмиттера (коллектора) fT=f(IK) для кремниевого биполярного дрейфового n-p-n транзистора, если задано:

- концентрация примеси на переходе коллектор-база – NКБ = 3∙1015 см-3;

- концентрация примеси на переходе эмиттер-база – NЭБ = 1,5∙1017 см-3;

- толщина базы по металлургическим границам p-n переходов - Wбо = 1,2 мкм;

- площадь эмиттера – SЭ = 8∙10-5 см2;

- площадь коллектора- SК = 1,2∙10-4 см2;

- сопротивление области коллектора - RK = 35 Ом;

- сопротивление базы – rб = 45 Ом;

- собственная концентрация носителей в кремнии - ni =1,4∙1010 см-3;

- константа для расчета времени жизни электронов - τno= 1,5∙10-6 с;

- константа для расчета времени жизни дырок - τpo = 3,6∙10-7 с;

- рабочее напряжение на коллекторе (напряжение измерения параметров)- VK = 4 В;

- диапазон рабочих токов эмиттера (коллектора) IЭ= IК = (0,1 - 100) мА.


Расчет вспомогательных величин, необходимых для дальнейших расчетов


Все величины рассчитываются для нормальных условий (Р=1 атм., Т= 3000К). Этот расчет проводится в следующем порядке:

а). Контактная разность потенциалов на p-n переходах определяется по выражению [1,6]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;(1.1.)


где: - φТ – тепловой потенциал, Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора, равный при Т = 3000К, φТ = 0,026В;

Npn – концентрация примеси на p-n переходе.

Подстановка численных значений концентраций из задания дает:

для коллекторного перехода при Npn = NКБ


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;


для эмиттерного перехода при Npn = NЭБ


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;


б). Время жизни электронов вблизи p-n переходов оценивается по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;(1.2)


и будет составлять:

для эмиттерного p-n перехода

Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


в). Время жизни дырок вблизи p-n переходов оценивается по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора(1.3)


и будет составлять:

для эмиттерного p-n перехода


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


г). Подвижность электронов вблизи p-n переходов определяется по выражению [4,7]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора(1.4)


и для эмиттерного p-n перехода:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

д). Подвижность дырок вблизи p-n переходов определяется по выражению [7]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора(1.5)


и для эмиттерного p-n перехода:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


е). Коэффициент диффузии носителей заряда вблизи p-n переходов определяется соотношением Эйнштейна [1, 4, 6, 7]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора(1.6)


и будет равен:

для электронов вблизи эмиттерного p-n перехода:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


для дырок вблизи эмиттерного p-n перехода:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

ж). Диффузионная длина носителей заряда вблизи p-n переходов определяется по выражению [1, 4, 6]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;(1.7)


и будет составлять:

для электронов вблизи эмиттерного p-n перехода:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;


- для дырок вблизи эмиттерного p-n перехода:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Расчет типового коэффициента усиления дрейфового транзистора


Для расчета коэффициента усиления по току и времени пролета носителей через базу n-p-n транзистора вначале необходимо определить характеристическую длину акцепторов в базе по выражению [4]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.8)


Она будет равна:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

Затем определим толщину активной базы Wба в заданном режиме измерения по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.9)


где: - ε – диэлектрическая постоянная материала, равная для кремния 11,7;

ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,86∙10-14 Ф/см;

е – заряд электрона, равный 1,6∙10-19 Кл.

- VK – рабочее напряжение на коллекторе транзистора.

При подстановке численных значений получим:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Коэффициент переноса носителей через базу для дрейфового n-p-n транзистора определяется по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.10)


и он будет равняться:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора 0,99819


Коэффициент инжекции для дрейфового n-p-n транзистора определяется по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.11)


и будет составлять:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора0,99609


Коэффициент передачи тока любого биполярного транзистора – α определяется по формуле:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.12)


где: ж – коэффициент эффективности коллектора.

Обычно считают, что для кремниевых транзисторов значение ж = 1.

Подстановка численных значений в формулу (1.12) дает для n-p-n транзистора значение:

Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

Прямой коэффициент усиления по току для n-p-n транзистора определяется выражением:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора; (1.13)


Подстановка численных значений дает значение:

Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора173 (ед.)

Расчет частотных свойств биполярного дрейфового транзистора


В общем виде предельная частота fT транзистора определяется по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.14)


где:

τз – время задержки сигнала;

τк – время переключения емкости коллектора;

τэ – время переключения емкости эмиттера;

τпр.б – время пролета базы неосновными носителями;

τопз – время пролета ОПЗ коллекторного р-п перехода;

Времена переключения емкостей определяются по временам заряда-разряда RC-цепей.

Время переключения емкости коллектора τк определяется по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.15)


где: Ск –емкость коллектора,


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.16)


и при подстановке численных значений составляет:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора

С учетом полученных значений и используя выражение (1.15) получаем:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Время пролета базы определяется по выражению [4]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.17)


и будет равно:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Время пролета ОПЗ p-n перехода коллектор-база определяется по выражению [4]:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.18)


где:

Vдр.н. – дрейфовая скорость насыщения, которая для электронов в кремнии равна 1∙107 см/с.

При подстановке численных значений получим:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Время переключения емкости эмиттера τэ в транзисторе определяется по выражению:

Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.19)


Барьерная емкость p-n перехода эмиттер-база в прямом включении определяется по выражению:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.20)


и при подстановке численных значений будет составлять:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Учитывая, что при коэффициентах усиления по току ВN≥50 ед., ток эмиттера мало отличается от тока коллектора, то дифференциальное сопротивление эмиттера в заданном режиме измерений определяется выражением:


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора (1.21)


где:

φT – тепловой потенциал, который для кремния при T=300°K составляет Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора;

КЗ – коэффициент запаса, принимаемый в диапазоне от 1,05 до 1,2 и принятый в данном случае равным КЗ =1,1;

IK – ток в режиме измерения параметров транзистора.

Расчет дифференциального сопротивления эмиттера проводится для указанного в задании диапазона токов эмиттера или коллектора. В данном случае это сопротивление рассчитывают для токов коллектора: 0,1 мА (1∙10-4 А); 0,2 мА (1∙10-4 А); 0,5 мА (1∙10-4 А); 1 мА (1∙10-3 А); 2 мА (1∙10-3 А); 5 мА (5∙10-3 А); 10 мА (1∙10-2 А); 20 мА (2∙10-3 А); 50 мА (1∙10-3 А); 100 мА (1∙10-3 А). Данные расчета дифференциального сопротивления эмиттера по выражению (1.21) для указанных токов приводятся в таблице 1.1.

Данные расчета времени переключения емкости эмиттера по выражению (1.19) приводятся в таблице 1.1.

Данные расчета предельной частоты переменного сигнала в транзисторе по выражению (1.14) приводятся в таблице 1.1.

Пример расчета предельной частоты при токе коллектора, равного 2 мА:

- согласно (1.21):


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора14,3 Ом;


- согласно (1.19):


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора1,487∙10-10 с;


- согласно (1.14):


Моделирование распределения примесей в базе дрейфового биполярного транзистора


Таблица 1.1

Данные расчета предельной частоты биполярного транзистора при разных токах коллектора

τк , с τпр.б , с τопз , с

СЭ, Ф

IК, А

RЭ, Ом

τЭ , с

fT, Гц


7,02∙10-12


1,3769∙10-10


7,07∙10-12


11,5∙10-12

1∙10-4 286 2,974∙10-9 4,99∙107




2∙10-4 143 1,487∙10-9 9,36∙107




5∙10-4 57,2 5,949∙10-10 1,97∙108




1∙10-3 28,6 2,974∙10-10 3,12∙108




2∙10-3 14,3 1,487∙10-10 4,41∙108




5∙10-3 5,72 5,95∙10-11 5,86∙108




1∙10-2 2,86 2,97∙10-11 6,58∙108




2∙10-2 1,43 1,49∙10-11 7,00∙108




5∙10-2 0,57 5,9∙10-12 7,29∙108




1∙10-1 0,29 3,0∙10-12 7,39∙108

Литература


Трутко А.Ф. Методы расчета транзисторов. Изд 2-е, перераб. и доп.- М.: Энергия, 1971.- с.272.

Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.- М.: Высш. школа, 1979.- 367 с.

Фролов А.Н., Шутов С.В., Самойлов Н.А. Оперативная оценка концентрации примеси в эмиттере при проектировании дрейфовых n-p-n транзисторов // Письма в ЖТФ,-1996г,-т.22, вып.7,- с. 36-38.

Кремниевые планарные транзисторы./ Под ред. Я.А. Федотова.-М.: Сов. радио, 1973.- с.336.

Фролов А.Н., Литвиненко В.Н., Калашников А.В., Бичевой В.Г., Салатенко А.В. Исследование коэффициента диффузии бора в кремнии от технологических режимов // Вестник ХГТУ, 1999г. - № 3(6). – с. 97-99.

Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов.-2-е изд. перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990.- с.264.

Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.- с.630.

Фролов А.Н., Шутов С.В., Самойлов Н.А. Влияние профиля легирования на пробивные напряжения коллекторного перехода в планарных n-p-n транзисторах // Журнал технической физики,- 1998г.,-т.68, №10,- с.136-138.

Интегральные схемы на МДП-приборах./ Пер. с англ. под ред. А.Н. Кармазинского.- М.: Мир, 1975

Дополнительная литература

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Перевод с англ.- М.: Мир, 1984.

Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем: Под ред. И.П. Степаненко.- М.: Радио и связь, 1983.- с.232.

Конструирование и технология микросхем: Под ред. Л.А. Коледова,- М.: Высш. школа, 1984,- с.231.

Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров.- М.: Радио и связь, 1986.- с.176.

Ю. Пожела, В. Юценене. Физика сверхбыстродействующих транзисторов.- Вильнюс.: Мокслас, 1985.- с.112.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: