КР ФОЭТ. Учебнометодическое пособие для студентов специальности 136 04 02 Промышленная электроника

• Название: Учебнометодическое пособие для студентов специальности 136 04 02 Промышленная электроника
• Анкор: КР ФОЭТ.doc
• Дата: 14.09.2018
• Размер: 451.5 Kb.
• Имя файла: КР ФОЭТ.doc
• Тип: Учебно-методическое пособие; #24561
• страница: 3 из 5

Литература
Основная
[1, c. 450-497, 503-527; 2, c. 95-136].
Дополнительная
[1, c. 29-108; 3, c. 209-219, 224-254].

Методические указания
Изучение темы «Полевые транзисторы» начните с рассмотрения разновидностей (канальные и МОП-транзисторы) и типов (n- и р-канальные) полевых транзисторов и принципов модуляции сопротивления канала.

Рассмотрение полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом следует начать с повторения зависимости ширины обедненной области р-n перехода от величины и полярности приложенного к нему внешнего напряжения. При изучении выходной характеристики обратите внимание на три характерные области: крутую, пологую и область пробоя. Рассматривая переходную характеристику транзистора, обратите внимание на то, что кривые располагается в одном квадранте. Дайте определение напряжения отсечки. Ознакомьтесь с эквивалентной схемой и частотными свойствами.

Изучение принципа работы полевого транзистора с изолированным затвором (МДП-транзистор) следует начать с рассмотрения идеального МДП-конденсатора. Ознакомьтесь с энергетическими зонными диаграммами идеальных МДП-структур. Уясните, к каким изменениям в энергетических зонных диаграммах приводит наличие поверхностных состояний и разности работы выхода металл-полупроводник. Ознакомьтесь с классификацией поверхностных состояний и зарядов.

Рассмотрите изменение сопротивления приконтактного (с диэлектриком) слоя полупроводника в зависимости от величины и полярности приложенного к такому диоду внешнего напряжения. Уясните особенности работы полевых транзисторов с индуцированным и встроенным каналами. Ознакомьтесь с выходной и проходной вольт-амперными характеристиками, параметрами МДП-транзисторов, понятием "пороговое напряжение" и рассмотрите возможные пути регулирования его величины. Рассмотрите эквивалентные схемы и частотные свойства МДП-транзисторов и укажите пути увеличения частотного диапазона их работы.

Рассмотрение эффектов короткого канала начните с определения понятия «короткоканальности» транзистора. Обратите внимание на зависимость величины порогового напряжения как от близости ОПЗ стока и истока, так и от эффекта «горячих» электронов в n- и р-канальных транзисторах.


Вопросы и задания для самопроверки

1. 
   В чем принципиальные отличия полевого транзистора от биполярного?
   
2. 
   В чем заключаются принципы усиления в полевом канальном и МОП-транзисторах?
   
3. 
   От каких параметров зависит величина порогового напряжения МОП-транзистора?
   
4. 
   Когда в МОП-транзисторе наблюдаются «условия плоских зон»?
   
5. 
   Чем определяется величина частоты отсечки МОП-транзистора?
   
6. 
   Какие эффекты «короткого канала» Вы знаете?
   
7. 
   На какие параметры и как влияют эффекты «короткого канала»?
   

Тема 6: Свойства полупроводников при высоких концентрациях носителей тока

Амбиполярная диффузия и коэффициент диффузии. Подвижности как функции концентрации примеси. Время жизни носителей при высоких уровнях инжекции. Влияние концентрации носителей на ширину запрещенной зоны в кремнии. Собственная концентрация носителей при высоких уровнях легирования.
Литература
Основная
[1, с. 22-29].
Методические указания
Изучение работы мощных полупроводниковых приборов необходимо начинать с выявления особенностей свойств полупроводников при высоких концентрациях носителей тока, что особенно характерно для мощных приборов.

При изучении этой темы необходимо выяснить воздействие высокой концентрации носителей тока на такие основные электрофизические параметры полупроводников, как подвижность, коэффициент диффузии и время жизни.

Необходимо уяснить, что высокий уровень легирования приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, это, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации собственных носителей заряда, в результате чего изменяются величины некоторых важных электрических параметров транзисторов.

Вопросы для самопроверки

1. 
   Почему появляется понятие «амбиполярная подвижность»?
   
2. 
   Как влияет высокая концентрация тока на величины подвижности и время жизни? Почему?
   
3. 
   Из-за чего происходит сужение ширины запрещенной зоны полупроводника при высоком уровне легирования?
   
4. 
   Как влияет сужение ширины запрещенной зоны полупроводника на электрические параметры транзистора, изготовленного из этого материала?
   

Тема 7: Лавинный пробой. Пути увеличения напряжения пробоя.
Пробой планарного р-n перехода. Полевая обкладка. Диффузионное охранное кольцо. Эквипотенциальное кольцо и канальный ограничитель. Резистивная полевая обкладка. Полевое ограничительное кольцо.

Напряжение пробоя, коллектор база мощного биполярного транзистора. Температура перехода. Вторичный пробой. Защита от вторичного пробоя. Область надежной работы мощного биполярного транзистора.
Литература
Основная
[1, с. 29-50, 135-153].
Дополнительная
[5, с. 32-41].
Методические указания
В мощных кремниевых транзисторных структурах лавинный пробой и последующий тепловой часто являются причинами неустойчивой работы приборов.

Начинать эту тему нужно с повторения физики лавинного пробоя, известного из дисциплины «Физика активных элементов интегральных схем». Далее необходимо уяснить отличия пробоя планарного одномерного перехода от реального (сферического и цилиндрического).

Рассматривая способы увеличения напряжения пробоя (полевая обкладка, диффузионное охранное кольцо и т.д.), необходимо понять влияние заряда поверхностных состояний и толщины оксида на протекание тока, как на поверхности, так и в объеме полупроводника.

Необходимо уяснить, что температура р-n перехода связана с рассеиванием мощности в транзисторе и, следовательно, с тепловым сопротивлением переход – корпус и корпус – радиатор. Обратить внимание на причины, приводящие к появлению вторичного пробоя. Изучая вопросы, связанные со способами защиты от вторичного пробоя, уделить внимание особенностям защиты в транзисторах с гребенчатой структурой.

Вопросы для самопроверки

1. 
   Как влияют знак и величина заряда поверхностных состояний на условия пробоя р-n перехода?
   
2. 
   Как зависит величина напряжения пробоя от радиуса кривизны и концентрации примеси?
   
3. 
   Почему рекомендуется применять полевую обкладку в комплекте с эквипотенциальным кольцом?
   
4. 
   Почему применение резистивной полевой обкладки расширяет область надежной работы транзистора?
   
5. 
   В чем причина появления вторичного пробоя?
   
6. 
   Почему использование гребенчатых или полосковых структур увеличивает надежность работы транзистора?
   

Тема 8: Мощные биполярные и полевые транзисторы

Структура мощных биполярных транзисторов. Зависимость эффективности эмиттера от концентрации примеси в нем. Эффект Кирка в n⁺-р--n⁺- и
n⁺-р-n⁺-транзисторных структурах. Падение коэффициента усиления по току при больших плотностях тока. Методы увеличения коэффициента усиления по току.

Область квазинасыщения ВАХ мощных биполярных транзисторов. Частотная характеристика мощного биполярного транзистора.

Мощный полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода с V-образной канавкой. МОП-транзистор как усилитель мощности и ключевой элемент. Геометрия мощного МОП-транзистора. Влияние температуры на характеристики МОП-транзистора.
Литература
Основная
[1, с. 74-77, 98-129, 172-177, 208-220, 234-238].
Методические указания
Начинать изучение этой темы необходимо с повторения понятий «коэффициент усиления по току» и «эффективность эмиттера», с которыми вы встречались при изучении дисциплины «Физика активных элементов интегральных схем». Поскольку при высоких концентрациях примеси в эмиттере изменяется ширина запрещенной зоны, и, следовательно, увеличивается n_i, то постарайтесь уяснить, что увеличение отношения N_dЭ/N_аБ не приводит к однозначному увеличению  и .

Эффект расширения нейтральной ширины базы при больших плотностях тока (эффект Кирка) рассматривайте на транзисторной структуре n⁺-p--n⁺.

Обратите внимание на то, что при расчете величины f_т для мощных биполярных транзисторов необходимо учитывать приращение электронейтральной базы и пользоваться коэффициентом 4 при расчете _{э .} Проанализируйте методы увеличения , обращая особое внимание на использование схемы Дарлингтона и транзистора с широкозонным эмиттером.

Рассмотрите возможные геометрии мощных полевых транзисторов, обращая внимание на то, как решены вопросы повышения величины тока и напряжения пробоя.
Вопросы для самопроверки

1. 
   Почему в биполярных транзисторах с высоколегированным эмиттером нарушается строгая пропорция зависимости величины  от отношения N_dЭ/N_аБ?
   
2. 
   Чем объясняется относительное уменьшение _N в биполярном транзисторе в высоколегированном эмиттере?
   
3. 
   Как повысить величину  в мощных биполярных транзисторах?
   
4. 
   Как изменяется выражение для f_Т в мощных биполярных транзисторах?
   
5. 
   Как увеличить напряжение пробоя в мощных полевых транзисторах?
   
6. 
   Чем обеспечивается большая величина тока стока в мощных полевых транзисторах?
   

Тема 9: СВЧ-полупроводниковые диоды

Принцип действия и аналитическое выражение для ВАХ диода Шоттки. Частотные ограничения диода Шоттки. Диод Шоттки в ИС. Параметрический диод: принцип действия, параметры и их зависимость от частоты.

Конструкции лавинно-пролетных диодов (ЛПД). Статические и динамические параметры ЛПД.

Энергетические зонные диаграммы, поясняющие работу туннельного диода. Зависимость туннельного тока от температуры. Частотные свойства туннельного диода. Обращенные диоды.

Литература
Основная
[2, c. 94-121, 150-203].
Дополнительная
[2, c. 91-137; 171-180; 3, c. 10-35; 4, c. 102-116].
Методические указания
Начиная изучение этой темы, необходимо уяснить, что принцип действия всех рассматриваемых СВЧ-диодов основан на физических процессах, происходящих в р-n переходах или в ОПЗ контакта металл полупроводник.

Анализируя энергетическую зонную диаграмму диода Шоттки, показать, что он может работать в СВЧ-диапазоне. Определить, чем вызваны частотные ограничения диода Шоттки и его использование в ТТЛШ.

Уяснить принцип работы параметрического диода (варикапа), и обратить внимание на зависимость его добротности от частоты.

ВАХ туннельного диода удобно объяснять для температуры Т = 0 К. Используя участок отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) на прямой ветви ВАХ, показать, как осуществляется усиление в туннельном диоде.

Уяснить из-за чего возникает участок ОДС на ВАХ лавинно-пролетного диода, и проанализировать его шумовые и мощностные параметры.

Вопросы для самопроверки

1. 
   Почему диод Шоттки может работать в СВЧ-диапазоне?
   
2. 
   Какое свойство диода Шоттки используется при создании интегрального транзистора Шоттки?
   
3. 
   Какие процессы ограничивают частотный диапазон диода Шоттки?
   
4. 
   Почему пиковый ток туннельного диода слабо зависит от температуры?
   
5. 
   Почему зависимость добротности варикапа от частоты имеет колоколообразный характер?
   
6. 
   На какой угол должны быть сдвинуты ток и напряжение в ЛПД для достижения максимального усиления?
   

Тема 10: Мощные СВЧ-транзисторы
Параметры и физическая эквивалентная схема мощного биполярного СВЧ-транзистора. Электрофизические характеристики различных областей транзисторной биполярной структуры. Разновидности структур мощных биполярных СВЧ-транзисторов. Тепловые параметры мощных биполярных СВЧ-транзисторов. Проектирование активных областей мощных биполярных СВЧ-транзисторов.

Физическая эквивалентная схема мощного СВЧ МОП-транзистора в режиме малого сигнала. Общий подход к выбору конструкции и проектированию топологии структуры мощного кремниевого СВЧ МДП-транзистора.


Литература
Дополнительная
[1, c. 5-11, 61-88, 119-139; 5, c. 6-41].
Методические указания
Обратить внимание на то, что в физической эквивалентной схеме биполярного СВЧ-транзистора необходимо учитывать индуктивности выводов и емкости контактных площадок. При анализе различных структур мощных биполярных СВЧ-транзисторов особое внимание уделить проблемам борьбы с эффектом оттеснения тока эмиттера на край эмиттера и снижением паразитных емкостей.

Обратить внимание на теплоотвод и тепловое сопротивление в мощных СВЧ-транзисторах. Расчет активных областей целесообразно начать с анализа задаваемых мощностных и геометрических параметров, определяющих частотный диапазон работы прибора.

При анализе физической эквивалентной схемы мощного МДП-транзистора отметить элементы, введенные в известную схему маломощного НЧ МДП-транзистора. Проанализировать приближенный расчет мощных СВЧ МДП-транзисторов.
Вопросы для самопроверки

1. 
   Какие паразитные емкости необходимо учитывать при анализе физической эквивалентной схемы мощного биполярного СВЧ-транзистора?
   
2. 
   Как влияют времена жизни неосновных носителей в коллекторной и базовой областях на работу мощного биполярного СВЧ-транзистора?
   
3. 
   Как уменьшить влияние эффекта оттеснения тока эмиттера на край эмиттера?
   
4. 
   Какие меры принимаются для улучшения теплоотвода в мощных биполярных СВЧ-транзисторах?
   
5. 
   Какие компромиссы допустимы при проектировании активных областей мощных биполярных СВЧ-транзисторах?
   
6. 
   Какими элементами отличаются физические эквивалентные схемы мощных НЧ и СВЧ МДП-транзисторов?
   

Тема 11: Полевые транзисторы с затвором Шоттки
Аналитическое выражение вольт-амперной характеристики полевого транзистора с затвором Шоттки. Выходная характеристика прибора. Физическая эквивалентная схема прибора. Частотные свойства.
Литература
Основная
[2, c. 336-368].
Дополнительная
[7, c. 96-101].
Методические указания
Изучение этой темы начните с анализа принципа усиления в полевых канальных транзисторах (КТ). Уясните определение «нормально открытый полевой КТ» и «нормально закрытый полевой КТ». Проанализируйте условия, при которых выводится аналитическое выражение ВАХ полевого КТ. Объясните выходную ВАХ n-канального полевого КТ с затвором Шоттки. Уясните причины, определяющие частотные свойства полевых КТ с затвором Шоттки.
Вопросы для самопроверки

1. 
   Почему технологически целесообразно полевые транзисторы с затвором Шоттки создавать на основе GaAs?
   
2. 
   Как осуществляется усиление в полевых канальных транзисторах?
   
3. 
   Какими параметрами определяется величина f_Т полевого транзистора с затвором Шоттки?
   
4. 
   Чем отличаются сток-затворные характеристики n-канальных нормально открытых и нормально закрытых полевых транзисторов с затвором Шоттки?
   

Контрольные задания
Каждый студент выполняет вариант контрольного задания, номер которого соответствует порядковому номеру фамилии студента в зачётной книжке, например: 983121-05 – вариант №5; 983121-26 – вариант №26.

Номера вопросов (1^ая-цифра) и задач (2^ая-цифра), составляющих контрольное задание для каждого варианта, указаны в таблице.

Номера вопросов с 1 по 30 присвоены студентам первой по нумерации учебной группе, а вопросы с 31 по 60 - второй.

Студенты третьей по нумерации учебной группы выполняют контрольные задания, включающие в себя номера вопросов с 1 по 30, а номера задач с 31 по 60. Студенты четвертой по нумерации учебной группы выполняют контрольные задания, включающие в себя номера вопросов с 31 по 60, а номера задач с 1 по 30.
Таблица 1-Распределение контрольных заданий для первой по нумерации учебной группы

Номер варианта	Номера вопросов и задач	Номер варианта	Номера вопросов и задач	Номер варианта	Номера вопросов и задач
1	1, 1	2	2,2	3	3,3
4	4, 4	5	5,5	и т.д.
Таблица 2 – Распределение контрольных заданий для второй по нумерации учебной группы
1	31, 31	2	32, 32	3	33, 33
4	34, 34	5	35, 35	и т.д.
Таблица 3 – Распределение контрольных заданий для третьей по нумерации учебной группы
1	1,31	2	2, 32	3	3,33
4	4,34	5	5, 35	и т.д.
Таблица 4 – Распределение контрольных заданий для четвертой по нумерации учебной группы
1	31,1	2	32,2	3	3,33
4	34,4	5	35,5	и т.д.