microbik.ru
1 2 ... 12 13
2) Принцип работы полевого МДП транзистора. Вольтамперные характеристики в активном режиме. Элементы памяти на основе МДП транзисторов (РПЗУ).

Полевые транзисторы : полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называются полевыми транзисторами(приборы для усиления электрического сигнала). безымянныйбезымянный

У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны либо дырки).



Вход: Vg, Ig. Выход: Vds, Ids

Ток затвора = 0, т.к он изолирован.(Мощ=0)


Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля: под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловле-но приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника - обогащение, обеднение, слабая и сильная инвер-сия. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от объема подложки слоем обеднения. На рис. приведена топология МДП транзистора, где этот факт наглядно виден. 5-5 5-6

В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала ток стока и тем самым будет реализован эффект усиления. Активный режим: Vg > Vт - пороговое напряжение U – Vт = Vgs

Таким образом, МДП транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением.

ВАХ После того, как из решения уравнения Пуассона получена зависимость заряда свободных носителей Qn(ψs, φc) как функция поверхностного потенциала и квазиуровня Ферми, а из уравнения непрерывности – связь между поверхностным потенциалом и квазиуровнем Ферми, можно вернуться к выражению для тока канала (6.43) и получить в явном виде вольт-амперную характеристику МДП-транзистора.5-7

Проведя интегрирование по глубине z и ширине х инверсионного канала получим формулу 6.43 -

В области сильной инверсии из (6.43), (6.67) и (6.69) следует, что .(6.72)

После интегрирования и учета того, что для области сильной инверсии в уравнении непрерывности (6.65) в правой части доминирует последний член, получаем: . (6.73)

Отметим, что для области сильной инверсии, т.е. в приближении плавного канала, ВАХ МДП-транзистора в виде (6.73) совпадает с ВАХ, полученной нами ранее в простейшем случае в виде (6.10).

В области слабой инверсии из (6.44), (6.57) и (6.67) следует, что . (6.74)

После интегрирования (6.74) и учета того, что уравнение непрерывности (6.58) дает для этого случая

, (6.75)

Получаем . (6.76)

Соотношение (6.76) представляет собой вольт-амперную характеристику МДП-транзистора для области слабой инверсии. На рисунках 6.11, 6.12 приведены проходные и переходные характеристики транзистора в этой области. Обращает на себя внимание тот факт, что в области слабой инверсии зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VGS – экспоненциальная функция, причем экспоненциальный закон сохраняется на много порядков. Ток стока не зависит практически от напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжениях исток-сток VDS порядка долей вольта. Напомним, что при слабом захвате () ток канала имеет диффузионный характер. Для случая, когда МДП-транзистор работает при напряжениях на затворе VGS больше порогового напряжения VT и напряжениях на стоке VDS больше напряжения отсечки VDS*, т.е. в области насыщения тока стока, ситуация усложняется. Точка отсечки соответствует переходу от области сильной к области слабой инверсии. Слева к истоку от точки отсечки канал находится в области сильной инверсии, ток в канале дрейфовый, заряд свободных электронов постоянен вдоль канала. Справа к стоку от точки отсечки область канала находится в слабой инверсии, ток в канале диффузионный, заряд свободных электронов линейно изменяется вдоль инверсионного канала. На рисунке 6.10 видно, что область перехода от сильной к слабой инверсии на зависимости ψs = φc выражается перегибом, что соответствует изменению соотношения между дрейфовой и диффузионными составляющими тока канала. Таким образом, в области отсечки ток в канале вблизи истока в основном дрейфовый, при приближении к стоку в области отсечки резко возрастет диффузионная составляющая, которая при нулевом захвате равна у стока полному току канала.5-156-11
Рис. 6.11. Зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG в предпороговой области для МДП-транзисторов с разной толщиной подзатворного диэлектрика. Стрелками на кривых показаны области перехода от экспоненциальной к более плавной зависимости тока стока IDS от напряжения на затворе. Напряжение исток-сток VDS = 0,025 В6-12
Рис. 6.12. Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS в области слабой инверсии при различных предпороговых значениях напряжения на затворе VG. VT = 2,95 В

3. Физические процессы в биполярных транзисторах. Дифференциальные параметры в схемах с общей базой, общим эмиттером.
Биполярным транзистором наз. полупроводниковый прибор с 2мя электронно-дырочными переходами, предназ-наченный для усиления(обусловлено явл-ями инжекции и экстракции не основных носителей заряда) и генерирова-ния электрич. сигналов, в котором исп-ся 2 типа носителей: основные и не основные.

БТ состоит из 3 областей монокристаллического полу-проводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора. В рабочем режиме БТ протекают след-щие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим р–n переход эмиттер–база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смеще-нии р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются не основные носители. Закон распределения инжектирова-нных дырок рn(х) по базе описывается след. ур-ем: рn(х)=рn0*exp(βVG)*exp(-x/Lp).

Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рисунке.
Рис. Распределение инжектированных дырок в базе

Процесс переноса инжектированных носителей ч/з базу–диффузионный. Хара-ктерное расстояние, на кот. неравновес-ные носители распространяются от обла-сти возмущения, – диффузионная длина Lp. Поэтому если необх, чтобы инжекти-рованные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W д/б < диффузионной длины Lp. И условие W < Lp является необх-м для реализации транзисторного эффекта–управления током во вторичной цепи ч/з из-менение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии ч/з базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носи-телями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе ч/з внешний контакт должно подойти такое же кол-во носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

Продиффундировавшие ч/з базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смеще-нного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются 4 физич-х процесса: инжекция из эмиттера в базу; диффузия ч/з базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор. Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рисунке 5.6(а,б).
Рис. 5.6. Зонная диагра-мма бт: а) в равновесном состоянии, б) в активном режиме
Дифференциальные пар-ры в схеме с общей базой активный режим (на эмит-терном переходе – прямое напряжение, на коллектор-ном – обратное)

Основными величинами, хар-щими пар-ры БТ, явл. Коэф-т передачи тока эмит-тера α, сопротивление эмит-терного (rэ), и коллекторного (rк), переходов, а также коэфф. обратной связи эмиттер-коллектор μэк.

Дифференциальным коэф-том передачи тока эмиттера наз.отношение приращения тока коллек-тора к вызвавшему его приращению тока эмитте-ра при постоянном напряжении на коллекторе(в ф-лах : y –эмиттер; e^ - коллектор): .

Сопротивление эмиттерного перехода rэ, определяется: . Сопротивление коллекторного перехода rк, определяется: . Коэф-том обратной связи μэк наз. отношение приращения напряжения на эмиттере к приращению напряжения на коллекторе при постоянном токе ч/з эмиттер: . Для коэф-та передачи α м/записать: , где – коэф-т инжекции, или эффективность эмиттера, – коэф-т переноса.

Таким образом, γ – доля полезного дырочного тока в полном токе эмиттера Jэ, а коэффициент χ  – показывает долю эмиттерного дырочного тока без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода.

Дифференциальные пар-ры в схеме с общим эмиттером

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме Ск* и rк*, равных Ск* = Ск(β+1), rк* = rк(β+1).


Продолжение 2

МДП-транзистор как элемент памяти

Рассмотрим RC-цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления RH ≈ 1 МОм и полевого транзистора с изолированным затвором, приведенную на рис. 6.28а, б. Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни ом, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к нулю.

Если МДП-транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р-n-перехода при обратном включении), все

напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит. Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор – МДП-транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица. Реализовать такую схему можно несколькими вариантами. В одном из них выбирается МДП-транзистор со встроенным каналом и при напряжении на затворе, равном нулю, реализуется случай, соответствующий приведенному на рис. 6.28а.



После подачи на затвор напряжения VG транзистор закрывается и реализуется

условие, показанное на рис. 6.28б. В другом варианте выбирается МДП-транзистор с

индуцированным каналом, и при напряжении на затворе VG, равном нулю, транзистор

закрыт и реализуется случай, приведенный на рис. 6.28б. При подаче на затвор обедня-

ющего напряжения транзистор открывается и реализуется случай, соответствующий

приведенному на рис. 6.28а.

Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является

необходимость подведения на все время хранения информации напряжения к за-

творному электроду. При отключении напряжения питания записанная информация

теряется. Этого недостатка можно было бы избежать, если в качестве МДП-тран-

зистора использовать такой транзистор, у которого регулируемым образом можно

было бы менять пороговое напряжение VT. Тогда при положительном пороговом

напряжении VT > 0 (n-канальный транзистор) МДП-транзистор закрыт и реализуется

случай, соответствующий приведенному на рис. 6.28б. При отрицательном пороговом

напряжении VT < 0 МДП-транзистор открыт и реализуется случай, соответствующий

приведенному на рис. 6.28а.

На рис. 6.29 показано изменение вольт-амперной характеристики n-канального

МДП-транзистора при перезаписи информационного заряда в подзатворном диэлек-

трике. Состояние 1 соответствует исходному, состояние 2 соответствует закрытому

состоянию транзистора при отсутствии питания (VG = 0), когда в диэлектрик записан

отрицательный заряд. Состояние 3 соответствует открытому состоянию транзистора

при отсутствии питания (VG = 0), когда в диэлектрик записан положительный заряд.


Величина порогового напряжения VT определяется уравнением (6.76). Как видно из

этого уравнения, для изменения величины порогового напряжения VT необходимо:

а) изменить легирование подложки NA (для изменения объемного положения уров-

ня Ферми φ0, разности работ выхода φms, заряда акцепторов в области обеднения QВ);

б) изменить плотность поверхностных состояний Nss;

в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Qох;

г) изменить напряжение смещения канал – подложка VSS (для изменения заряда

акцепторов QВ в слое обеднения).

Поскольку информацию в ячейку необходимо перезаписывать многократно, слу-

чаи (а) и (б) для этого оказываются непригодными. Случай (г) не подходит вследствие

того, что при отключении напряжения информация не сохраняется. Таким образом,

для реализации энергонезависимого репрограммируемого полупроводникового запо-

минающего устройства (РПЗУ) необходим МДП-транзистор, в котором обратимым

образом было бы возможно изменять пороговое напряжение VT за счет изменения

встроенного в диэлектрик заряда Qох.

4.

Основные понятия теории надежности. Расчетные модели для оценки показателей надежности.

Надежность - свойство системы (любого ее элемента) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих ее способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Задачи теории надежности:

1 На этапе ТЗ: правильно сформулировать показатели надежности.

2 На этапе проектирования: выбор элементов базы и структуры системы.

3 На э. Испытаний: обеспечить контроль показателей надежности.

4 На э. Эксплуатации: обеспечить требуемые условия обслуживания, эксплуатации, запас запчастей

Качественные составляющие:

Работоспособность – способность системы выполнять свои функции в данный момент времени( значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации).

Отказ – событие, в результате которого система полностью или частично теряет работ-сть.

Безотказность - способность объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого промежутка времени или наработки.

Ремонтопригодность – свойство объекта к быстрому восстановлению путем ремонта или замены отдельных частей.

Долговечность – свойство системы сохранять работ-сть до наступления некоторого предельного состояния, когда его надо изъять из эксплуатации.

Сохраняемость – свойство объекта(системы) сохранять работ-сть в процессе хранения и транспортировки.

Все эти определения регламентируются ГОСТом 27.002-89 НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ

Основные понятия. Термины и определения.

Количественные характеристики:

Отказ это событие случайное, поэтому все оценки носят вероятностный характер. Опыт показывает, что надежность изделия в течение срока службы описывается специальной кривой.

Основная формула надежности:
http://www.dstu.edu.ru/ntb/ebooks/ebook1/pages/2/image24.gif

В частном случае при λ (t) = const основная формула надежности дает экспоненциальный закон распределения, широко используемый для моделирования внезапных отказов.http://www.dstu.edu.ru/ntb/ebooks/ebook1/pages/2/image25.gif

P(t) – вероятность, что система работает


Интенсивность отказов λ (Условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник)

Средняя наработка на отказ Т0 =1/ λ (Отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки)
Интенсивность восстановления μ (Условная плотность вероятности восстановления работоспособного состояния объекта, определенная для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента восстановление не было завершено)

Среднее время восстановления Тв =1/ μ (Математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа)
Коэффициент готовности Kr = Т0/ Т0+ Тв

Kr = μ / μ + λ

(Вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается)

Расчет надежности.

Полагают:

  1. что все отказы независимы

  2. интенсивность отказа и восстановления не зависят от времени работы

Последовательность расчета:

  1. определение интересующего показателя надежности

  2. определения понятия отказ

  3. построение структурной схемы

  4. построение мат. модели, по которой производится расчет


следующая страница >>