ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.03.2024
Просмотров: 479
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
значения концентрации примесей асимметричного p-n перехода для базы 1016, для эмиттера 1018 см-3 и собственную концентрацию кремния при комнатной температуреni≈1010 см-3, получим типичную величину:
Другим важнейшим параметром p-n перехода является его толщина, или ширина, w. За w принимается протяженность приграничных областей с не скомпенсированными ионами примесей, или, что тоже самое, толщина обеднённого слоя:
Для кремниевого p-n перехода при указанных выше исходных данных w≈1мкм, что также является типичной величиной. При подаче прямого напряжения переход сужается, а при подаче обратного напряжения расширяется. В этих случаях его толщину можно рассчитать, подставляя вместо φk0 в (26б) φk из (23) или (24). От толщины перехода зависят его барьерная ёмкость (16), напряжение лавинного пробояи другие важные параметры. В предположении однородности поля p-n перехода его напряжённость составит величину
и может достигать сотен кВ/см.
Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток. Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении к = к0 + Uобр, получим:
Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами.
Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и
математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с таким и элементами. Сегодня количество элементов в интегральных схемах может достигать 109 и более. Примерно столько же уравнений в описывающей схему системе уравнений. Решение таких систем иногда невозможно даже с использованием суперкомпьютеров. Поэтому разработка компьютерных моделей элементов – это всегда компромисс между их точностью и сложностью [4]. Рассмотрим возможности моделирования полупроводникового диода напримередиода на основе p-n перехода. Простейшей
компьютерной моделью полупроводникового диодаявляется идеальный электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность, наличие ёмкости p-n перехода и другие важные его свойства. Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (см.разд.4.3):
Диод при этом моделируется как зависимый источник тока. Зависимость тока I от приложенного напряжения U описывается формулой Шокли (22). Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов(рис.51).Кроме того, эта модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно(22), ток диода не зависит от частоты и времени, т.е. его частотные и импульсные свойства идеальны.
Более точной, наиболее сложной является модель на основе эквивалентной схемы рис. 52 и системы уравнений (54), (55), (56):
Здесь диод также моделируется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Это участок пробоя, уравнение (54) и линейная часть ВАХ при прямом напряжении, уравнение (56). Уравнение (55)– уравнение Шокли, которое хорошо описывает начальную часть ВАХ диода при прямом и небольших обратных напряжениях.
В качестве примера компьютерной модели транзисторарассмотрим модель БТ с n-p-n структурой. Её прототип изображён на рис.53:
Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. Принадлежащем выборе параметров этих диодов можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая «модель» не отражает главное в процессах в БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока в ЭП выходной ток в КП не появляется. Поэтому естественным шагом является введение в эквивалентную схему зависимого источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален входному току Iэ, рис.54. Такая модель отражает важнейшее свойство БТ: в активном режиме возникает выходной ток, пропорциональный входному току. Обратные токи ЭП и КП игнорируются ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах. Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого 73 источника тока αiIк, который необходим в случае инверсного режима, когда входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной ток, рис.55:
И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α>>αi), он иногда возникает в реальных
схемах и полноценная модель должна это отражать. Следующим шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам полной ёмкости КП Скп и полной ёмкости ЭП Сэп, рис.56. Модель пополнится уравнениями, учитывающими то, что ёмкость p– nпереходаприпрямомнапряжениидиффузионная,приобратномбарьерная.Таи другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его величины. Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта активного сопротивления эмиттерной области Rэ, базовой области Rб и коллекторной областей Rк, рис.57. Rэ -сопротивление наиболее легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Много большую величину имеет сопротивление базы Rб, в связи с обязательно слабым легированием этой области. Сопротивление Rк учитывают в ключевом режиме, т.к. оно влияет на сопротивление открытого состояния.
Большое распространение получили ключи на полевых транзисторах, действие которых основано на управлении рабочим током входным напряжением (полем), имеющие структуру металл-окисел- полупроводник (МОП–транзисторы) или, что одно и то же, металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-
транзисторы). Для них характерно высокое входное сопротивление.
Рис2.7.КлючнаМДП-транзисторес индуцированнымn-каналом.
При огромном входном сопротивлении Rвх>1012 Ом, нагрузочная способность ключа велика даже при больших Rc. Напряжение нижнего уровня МДП-ключа низкое (практически равно нулю), в отличие от ключа на биполярном транзисторе, у которого в насыщенном режиме на выходе имеется остаточное напряжение насыщения Uкэ нас.
Быстродействие МДП-ключа целиком обусловлено только постоянной времени перезаряда паразитных емкостей – Свх и Свых. В составе ИС, вследствие малых размеров элементов на кристалле и,
соответственно, малых паразитных емкостей, полевые ключи обладают высоким быстродействием.
Классическая схема ключа с резистором Rc в стоковой цепи обладает неудовлетворительным быстродействием, так как паразитные емкости перезаряжаются через большие значения Rвх и Rc. Наличие высокоомных резисторов приводит к повышенному тепловыделению на кристалле, резисторы занимают значительную площадь, их изготовление в интегральной технологии взывает значительные трудности.
Поэтому ключи со стоковой нагрузкой в современной интегральной схемотехнике не используется, но подобная схема широко используется в силовых МДП-ключах.
Интегральный КМДП инвертор, показанный на Рис 2.9 реализуется на МДП транзисторе с индуцированным n-каналом VT1 и комплементарным транзистором VT1’; тоже МДП, но с индуцированным p-каналом.
Полярность истока транзистора VT1’ должна быть отрицательна относительно стока, поэтому исток VT1’ подключен к +Еп. Когда на вход подан низкий уровень, транзистор VT1, заперт, а транзистор VT1’ открыт; на выходе высокий уровень - напряжение +Еп. Если на вход подан высокий уровень, транзистор VT1 открыт, а транзистор VT1’ заперт; на выходе низкий уровень – практически нуль. Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперт, а входное сопротивление следующего каскада очень велико, ток в нагрузку практически не ответвляется; сквозной ток в цепи питания отсутствует и статическая мощность, потребляемая от источника питания, ничтожно мала и определяется только токами утечки.
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче
Другим важнейшим параметром p-n перехода является его толщина, или ширина, w. За w принимается протяженность приграничных областей с не скомпенсированными ионами примесей, или, что тоже самое, толщина обеднённого слоя:
Для кремниевого p-n перехода при указанных выше исходных данных w≈1мкм, что также является типичной величиной. При подаче прямого напряжения переход сужается, а при подаче обратного напряжения расширяется. В этих случаях его толщину можно рассчитать, подставляя вместо φk0 в (26б) φk из (23) или (24). От толщины перехода зависят его барьерная ёмкость (16), напряжение лавинного пробояи другие важные параметры. В предположении однородности поля p-n перехода его напряжённость составит величину
и может достигать сотен кВ/см.Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток. Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении к = к0 + Uобр, получим:
27. Компьютерное моделирование диодов и транзисторов.
Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами.
Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и
математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с таким и элементами. Сегодня количество элементов в интегральных схемах может достигать 109 и более. Примерно столько же уравнений в описывающей схему системе уравнений. Решение таких систем иногда невозможно даже с использованием суперкомпьютеров. Поэтому разработка компьютерных моделей элементов – это всегда компромисс между их точностью и сложностью [4]. Рассмотрим возможности моделирования полупроводникового диода напримередиода на основе p-n перехода. Простейшей
компьютерной моделью полупроводникового диодаявляется идеальный электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность, наличие ёмкости p-n перехода и другие важные его свойства. Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (см.разд.4.3):
Диод при этом моделируется как зависимый источник тока. Зависимость тока I от приложенного напряжения U описывается формулой Шокли (22). Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов(рис.51).Кроме того, эта модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно(22), ток диода не зависит от частоты и времени, т.е. его частотные и импульсные свойства идеальны.
Более точной, наиболее сложной является модель на основе эквивалентной схемы рис. 52 и системы уравнений (54), (55), (56):
Здесь диод также моделируется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Это участок пробоя, уравнение (54) и линейная часть ВАХ при прямом напряжении, уравнение (56). Уравнение (55)– уравнение Шокли, которое хорошо описывает начальную часть ВАХ диода при прямом и небольших обратных напряжениях.
В качестве примера компьютерной модели транзисторарассмотрим модель БТ с n-p-n структурой. Её прототип изображён на рис.53:
Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. Принадлежащем выборе параметров этих диодов можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая «модель» не отражает главное в процессах в БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока в ЭП выходной ток в КП не появляется. Поэтому естественным шагом является введение в эквивалентную схему зависимого источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален входному току Iэ, рис.54. Такая модель отражает важнейшее свойство БТ: в активном режиме возникает выходной ток, пропорциональный входному току. Обратные токи ЭП и КП игнорируются ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах. Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого 73 источника тока αiIк, который необходим в случае инверсного режима, когда входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной ток, рис.55:
И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α>>αi), он иногда возникает в реальных
схемах и полноценная модель должна это отражать. Следующим шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам полной ёмкости КП Скп и полной ёмкости ЭП Сэп, рис.56. Модель пополнится уравнениями, учитывающими то, что ёмкость p– nпереходаприпрямомнапряжениидиффузионная,приобратномбарьерная.Таи другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его величины. Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта активного сопротивления эмиттерной области Rэ, базовой области Rб и коллекторной областей Rк, рис.57. Rэ -сопротивление наиболее легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Много большую величину имеет сопротивление базы Rб, в связи с обязательно слабым легированием этой области. Сопротивление Rк учитывают в ключевом режиме, т.к. оно влияет на сопротивление открытого состояния.
42. Ключ на МДП транзисторах с одинаковым каналом.
Большое распространение получили ключи на полевых транзисторах, действие которых основано на управлении рабочим током входным напряжением (полем), имеющие структуру металл-окисел- полупроводник (МОП–транзисторы) или, что одно и то же, металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-
транзисторы). Для них характерно высокое входное сопротивление.
Рис2.7.КлючнаМДП-транзисторес индуцированнымn-каналом.
При огромном входном сопротивлении Rвх>1012 Ом, нагрузочная способность ключа велика даже при больших Rc. Напряжение нижнего уровня МДП-ключа низкое (практически равно нулю), в отличие от ключа на биполярном транзисторе, у которого в насыщенном режиме на выходе имеется остаточное напряжение насыщения Uкэ нас.
Быстродействие МДП-ключа целиком обусловлено только постоянной времени перезаряда паразитных емкостей – Свх и Свых. В составе ИС, вследствие малых размеров элементов на кристалле и,
соответственно, малых паразитных емкостей, полевые ключи обладают высоким быстродействием.
Классическая схема ключа с резистором Rc в стоковой цепи обладает неудовлетворительным быстродействием, так как паразитные емкости перезаряжаются через большие значения Rвх и Rc. Наличие высокоомных резисторов приводит к повышенному тепловыделению на кристалле, резисторы занимают значительную площадь, их изготовление в интегральной технологии взывает значительные трудности.
Поэтому ключи со стоковой нагрузкой в современной интегральной схемотехнике не используется, но подобная схема широко используется в силовых МДП-ключах.
Интегральный КМДП инвертор, показанный на Рис 2.9 реализуется на МДП транзисторе с индуцированным n-каналом VT1 и комплементарным транзистором VT1’; тоже МДП, но с индуцированным p-каналом.
Полярность истока транзистора VT1’ должна быть отрицательна относительно стока, поэтому исток VT1’ подключен к +Еп. Когда на вход подан низкий уровень, транзистор VT1, заперт, а транзистор VT1’ открыт; на выходе высокий уровень - напряжение +Еп. Если на вход подан высокий уровень, транзистор VT1 открыт, а транзистор VT1’ заперт; на выходе низкий уровень – практически нуль. Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперт, а входное сопротивление следующего каскада очень велико, ток в нагрузку практически не ответвляется; сквозной ток в цепи питания отсутствует и статическая мощность, потребляемая от источника питания, ничтожно мала и определяется только токами утечки.
57. Приборы с зарядовой связью. Матрицы для фототехники.
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче