|
|
КР ФОЭТ. Учебнометодическое пособие для студентов специальности 136 04 02 Промышленная электроника
Контрольные вопросы
Чем обусловлены диффузионная и барьерная емкости р-n перехода?
В чем трудность получения идеального омического контакта?
Почему лавинный пробой возникает при больших напряжениях, чем туннельный, в то время как критическая напряженность электрического поля лавинного пробоя меньше? Как изменяются величины Uпр обоих типов пробоя от температуры? Почему?
Начертите и объясните зависимости обратного тока р-n перехода (диода) от обратного напряжения для следующих условий: а) германиевый р-n переход, толстая база; б) германиевый р-n переход, тонкая база; в) кремниевый р-n переход, толстая база; г) кремниевый р-n переход, тонкая база.
Как изменяются частотные свойства р-n перехода с увеличением температуры при работе с высоким и малым уровнями инжекции? Почему?
Объясните, почему даже при равенстве площадей эмиттера и коллектора биполярный транзистор нельзя считать полностью обратимым прибором.
Каково соотношение между величинами обратных токов биполярного транзистора IКБО, IКЭО, IКБК ? Почему?
Определите h-параметры по статистическим характеристикам биполярных транзисторов.
Напишите выражения для коэффициентов передачи тока эмиттера и коллектора одномерной теоретической модели транзистора. Что такое эффективность эмиттера и каковы пути ее увеличения?
Опишите основные статистические параметры биполярного транзистора для трех областей его работы: отсечки, насыщения и активной.
Объясните характер зависимости h21 от температуры. В какой схеме включения транзистора с общей базой или с общим эмиттером этот параметр в большей степени зависит от температуры и почему?
Предположим, что площади эмиттера и коллектора равны. Какая из барьерных емкостей этих переходов больше и почему? Какая из этих емкостей сильнее влияет на работу транзистора и почему?
Объясните, что такое предельная и граничная частоты усиления по току и максимальная частота генерации. Каково соотношение между их величинами? Каковы пути их повышения?
Определите коэффициент инжекции, коэффициент переноса носителей через базу и коэффициент передачи тока для нормального и инверсного включения транзистора.
Объясните график зависимости коэффициента передачи тока базы от тока эмиттера.
Опишите преимущества и недостатки дрейфового транзистора (по сравнению с бездрейфовым).
Используя энергетические диаграммы МДП-структур, объясните принцип работы р-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом.
Опишите эффект Эрли и два его следствия.
В чем причина оттеснения тока эмиттера на край эмиттера? Как "борются" с этим эффектом?
Почему время включения транзистора в схеме ОЭ в (βN+1) больше, чем в схеме ОБ?
Что произойдет с величиной частоты отсечки (граничной частотой) биполярного транзистора при значительном увеличении плотности эмиттерного тока?
Опишите особенности работы полевых транзисторов (по сравнению с биполярными): управление, частотные свойства, технологичность, экономичность.
Как изменится величина частоты отсечки (граничной частоты) биполярного транзистора при переходе его работы в микрорежим?
Опишите составляющие базового тока биполярного транзистора, дайте их определение и укажите на возможные пути уменьшения величины базового тока.
Как изменятся величина порогового напряжения короткоканального МОП-транзистора по отношению к длинноканальному из-за близости ОПЗ стока и истока?
Виды пробоя МОП-транзисторов. В чем заключаются особенности пробоя короткоканального МОП-транзистора?
Какое свойство диода Шоттки используется в транзисторах Шоттки и в мощных диодах Шоттки, используемых в блоках питания?
Почему пиковый ток туннельного диода слабо зависит от температуры?
Какие методы используются для уменьшения коэффициента передачи тока транзисторных структур, составляющих тиристор?
Почему на прямой ветви ВАХ тиристора наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления?
31. Как объяснить график зависимости величины концентрации свободных
носителей заряда от обратной температуры?
32. Что такое эффект Холла?
33. Как связаны между собой параметры “подвижность” и “ рассеяние”
свободных носителей заряда?
34. Что такое дрейф и диффузия носителей заряда?
35. Что такое уровень Ферми?
36. Из каких соображений твёрдые тела подразделяются на металлы,
диэлектрики и полупроводники?
37. Что такое туннельный эффект?
38. Каким образом на пластине собственного кремния можно получить n- или p-
полупроводник?
39. Что такое индексы Миллера?
40. Какие основные уравнения используются для анализа работы
полупроводниковых приборов?
41. Почему в биполярных транзисторах с широкозонным эмиттером можно
получить большую величину коэффициента инжекции эмиттера при
одинаковой концентрации примесей в эмиттере и базе?
42. Как измениться величина потенциального барьера p-n перехода при
изменении температуры и типа полупроводника? Почему?
43. Как и какими путями возникают токи генерации и рекомбинации при
обратном и прямом смещениях p-n перехода?
44. Зависит ли величина τвост. от величины прямого тока, протекающего через p-
n переход? Почему?
45. Как объяснить зависимость величины коэффициента передачи тока
эмиттера от величины тока эмиттера (коллектора)?
46 Можно ли считать биполярный транзистор обратимым прибором? Если нет,
то почему?
47. Почему Uкэо намного меньше Uкбо?
48. Почему использование диода Шоттки в ТТЛ ИС намного уменьшает время
задержки на вентиль?
49. Почему гребенчатая структура топологии эффективна в мощных
биполярных структурах?
50. От чего зависит величина напряжения смыкания биполярного транзистора?
51. От каких геометрических и электрофизических параметров МОП-транзистора
зависит величина напряжения сквозного обеднения?
52. Как изменяет величину порогового напряжения короткоканального МОП-
транзистора эффект горячих электронов?
53. Что такое «эффект Кирка», и как он влияет на параметры n+-p- -n+
транзистора?
54. Что такое «эффект Кирка», и как он влияет на параметры n+-p-n+
транзистора?
55. Как зависит добротность варикапа от частоты?
56. Почему при использовании структуры overlay в мощных биполярных
транзисторах к эмиттерным полоскам подключают поликремниевые
резисторы?
57. Для чего в стоковую область мощных МОП-транзисторов вводится n-область?
58. Почему гребенчатая структура неэффективна в СВЧ-транзисторах? Какие
структуры применяют в этом диапазоне?
59. Какими способами можно повысить коэффициент усиления по току в мощных
транзисторах?
60. Какими способами можно повысить напряжение лавинного пробоя p-n
перехода?
Справочные данные
Таблица 1 – Основные полупроводниковые материалы и их параметры
№
п/п
|
Параметр
|
Единицы измерения
|
Полупроводники
|
Si
|
Ge
|
GaAs
|
1
|
Заряд ядра
|
-
|
14,32
|
-
|
-
|
2
|
Атомная масса
|
-
|
28,08
|
72,6
|
-
|
3
|
Количество атомов в 1 см3
|
см-3
|
5,0*1022
|
4,42*1022
|
-
|
4
|
Плотность (ρ)
|
г/см3
|
2,35
|
5,23
|
-
|
5
|
Диэлектрическая проницаемость
|
-
|
11,8
|
16
|
11
|
6
|
Эффективная масса (Т=300К) электрона
Дырок
|
Отн. Ед.
|
0,33
0,55
|
0,22
0,39
|
0,07
0,3
|
7
|
Ширина запрещенной зоны
|
эВ
|
1,11
|
0,67
|
1,42
|
8
|
Эффективная плотность состояний
Nc – в зоне проводимости
Nv – валентной зоне
|
см-3
|
2,8*1019
1,02*1019
|
1,4*1019
0,61*1019
|
-
-
|
9
|
Собственная концентрация свободных носителей заряда ni
|
см-3
|
1,6*1010
|
2,5*1013
|
1,5*106
|
10
|
Дрейфовая подвижность основных носителей электронов (μn)
дырок (μp)
|
см2/В*с
|
1400
500
|
3800
1800
|
11000
450
|
11
|
Собственное удельное сопротивление (ρi)
|
Ом*см
|
2*105
|
60
|
4*108
|
12
|
Коэффициент диффузии
Электронов
Дырок
|
см2/с
|
36
13
|
100
45
|
290
12
|
13
|
Максимальная дрейфовая скорость
Электронов (νn max)
Дырок (νp min)
|
см/с
|
10*106
8*106
|
6,5*106
6*106
|
-
-
|
14
|
Критическая напряженность электрического поля ПП-ка
n – типа
p – типа
|
В/см
|
2500
7500
|
200
400
|
-
-
|
15
|
Коэффициент теплопроводности (λ)
|
Вт/см*0С
|
1,2
|
0,5
|
-
|
Таблица 1а - Основные физические константы теории полупроводников
№
п/п
|
Наименование
|
Единицы измерения
|
Значение
|
1
|
Элементарный заряд
|
Кл
|
1,6 ∙ 10-19
|
2
|
Масса свободного электрона
|
кг
|
9,11 ∙ 10-31
|
3
|
Постоянная Планка
|
Дж ∙ с
|
6,6 ∙ 10-34
|
4
|
Постоянная Больцмана
|
Дж/oС
|
1,37 ∙ 10-23
|
5
|
Диэлектрическая проницаемость вакуума (εe)( ε = 12)
|
Ф/см
|
8,85 ∙ 10-14
|
6
|
Магнитная проницаемость вакуума
|
Гн/см
|
1,25 ∙ 10-8
|
7
|
Температурный потенциал
Φт при 300К
|
В (φт = КТ/q )
B
|
T/11600
25 мВ = 0,025В
|
Условия и алгоритмы решения задач
1. Условие задач, имеющих номера 1 - 10
Рассчитать контактную разность потенциалов и барьерную ёмкость резкого p-n перехода с площадью S=10-3 см2 и следующими параметрами:
Таблица 2 – Данные к задачам
Материал
|
Приложенное
напряжение,В
|
Темпера- тура, К
|
Концентрация легирующей примеси в p-области Na, см-3
|
Концентрация легирующей примеси в n-области Nd, см-3
|
Вари-ант
|
Кремний
|
0
|
300
|
1018
|
1016
|
1
|
Арсенид галлия
|
0
|
200
|
1018
|
1016
|
2
|
Германий
|
0
|
300
|
1017
|
1016
|
3
|
Кремний
|
-2
|
200
|
1017
|
1017
|
4
|
Арсенид галлия
|
-2
|
300
|
1018
|
1016
|
5
|
Германий
|
-1
|
400
|
1018
|
1016
|
6
|
Кремний
|
-5
|
400
|
1019
|
1017
|
7
|
Арсенид галлия
|
0,02
|
300
|
1018
|
1018
|
8
|
Германий
|
0,02
|
200
|
1017
|
1018
|
9
|
Кремний
|
0,02
|
400
|
1016
|
1018
|
10
|
Алгоритм решения задач
Начните решение с конечных аналитических выражений для двух искомых величин:
Контактная разность потенциалов:
φк=kT/q*ln (Na*Nd /ni2) [В];
Ширина ОПЗ p-n перехода:
Xd=[2εε0*( φк-U)( Na+ Nd)/ q Na Nd]1/2 [мкм];
где Na и Nd – концентрация легирующей примеси в p- и n-области соответственно.
Если Nа»Nd (или Nd»Na), то
Xd=[2εε0*( φк-U)/ q NБ]1/2;
где NБ – концентрация легирующей примеси в слаболегированной области, p-n перехода;
Барьерная ёмкость p-n перехода:
Cбар=S*2εε0/ Xd [пФ];
Где S – площадь p–n перехода.
Величины ni, ε, ε0, k и q взять из таблицы 1 и 2.
Помнить, что величина напряжения, прилаженного к p-n переходу, подставляется в формулу с учётом знака: прямое смещение – знак «плюс», обратное смещение – знак «минус».
2. Условие задач, имеющих номера 11 - 19
Рассчитать диффузионную ёмкость p-n перехода с площадью S=10-3 см2 и со следующими параметрами:
Таблица 3 – Данные к задачам
Материал
|
Концентрация
легирующей
примеси в n-области Nd, см-3
|
Концентрация
легирующей
примеси в p-области Nа, см-3
|
Приложенное
прямое напряжение
U, В
|
Ширина
n-области,
мкм
|
Ширина
p-области,
мкм
|
Время
жизни
электронов
τn, c
|
Время
жизни
дырок
τp, c
|
Темпера-тура, K
|
Вариант
|
Кремний
|
1018
|
1016
|
0,61
|
1
|
1
|
10-7
|
10-6
|
300
|
11
|
Германий
|
1018
|
1016
|
0, 3
|
1
|
1
|
10-7
|
10-6
|
300
|
12
|
Кремний
|
1016
|
1017
|
0, 63
|
2
|
2
|
10-7
|
10-6
|
400
|
13
|
Кремний
|
1019
|
1016
|
0, 42
|
1
|
0,5
|
10-8
|
10-6
|
300
|
14
|
Арсенид
галлия
|
1018
|
1016
|
0, 8
|
1
|
1
|
|
|
300
|
15
|
Кремний
|
1017
|
1016
|
0, 65
|
1
|
1
|
10-7
|
10-6
|
400
|
16
|
Арсенид
галлия
|
1017
|
1018
|
0,82
|
1
|
1
|
|
|
300
|
17
|
Кремний
|
1017
|
1016
|
0, 68
|
1
|
0,5
|
10-7
|
10-6
|
300
|
18
|
Арсенид
галлия
|
1016
|
1016
|
0, 83
|
1
|
1
|
|
|
|
19
|
Кремний
|
1016
|
1018
|
0, 65
|
1,5
|
1
|
10-7
|
10-6
|
300
|
20
|
|
|
|
Скачать 451.5 Kb.