МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И 

МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Лабораторные работы

по дисциплине «Электроника»

Выполнил: студент группы БПАС 2351

Егорова У. А.

Вариант 2

Проверил: Доцент, кандидат наук Объедков е. В. Лабораторная работа № 3 полупроводниковые диоды и их компьютерные модели

Цель работы:

Изучение особенностей полупроводниковых диодов различных типов и их компьютерных моделей различной степени сложности и точности.

Ваш вариант: №2

Наименование диода по варианту: 1N914

Параметры модели диода:

EG =1.11	BV =100	RS =1.809788810542
CJ0 =1.583731520851P	TT =11.541560143871N	M =300.000000014883M

Исходя из параметров модели мы можем сделать некоторые выводы, такие как:

EG = 1.11 = 1,11эВ следовательно этот диод с Кремниевый p-n переходом;

CJ0=1.583731520851P ≈ 1,58 пФ следовательно это Высокочастотный диод.

Если М=0,5 или 0,3 то это, обычно, плавные p-n переходы

Графика ВАХ

Из графика ВАХ мы можем узнать I_макс и U_макс, следовательно мы сможем рассчитать рассеиваемая мощность:

P_расс = I_макс х U_макс

P_расс = 0,9*0,077269 = 0,0695421 Вт

Зная рассеиваемую мощность в 0,0695421 Вт, мы можем сделать вывод, что рассматриваемый диод является среднемощный.

Прямая ВАХ:

Обратная ВАХ в области пробоя:

Выводы:

Рассматриваемый диод является кремнёвыми, среднемощным, высокочастотным, с напряжением пробоя 100В, обычно с плавным p-n переходом.

Прямая ветвь ВАХ

Ток через диод растёт нелинейно и экспоненциально с увеличением прямого напряжения, при малых напряжениях ток почти не течёт, а начиная примерно с напряжения порядка прямого падения кремниевого диода (около 0,6–0,8 В) ток резко увеличивается, что подтверждает выпрямляющие свойства исследуемого диода.​

Обратная ветвь в области пробоя

При возрастании обратного напряжения ток долго остаётся малым (обратный ток насыщения), а затем при достижении напряжения пробоя резко возрастает, что видно по горизонтальному участку ВАХ и последующему резкому росту тока.​

При изменении температуры наблюдается следующая картина как и на прямой ветви ВАХ и обратной ветви в области пробоя, При повышении температуры ток открытого диода повышается, а напряжение пробоя уменьшается.

Лабораторная работа № 5 исследование биполярного транзистора

Цель работы:

Ознакомление с физическими принципами функционирования биполярного транзистора (БТ), с особенностями его изготовления и взаимосвязью конструкции, размеров и параметров.

На рис. 1 изображён БТ со структурой n-p-n

Таблица 1. Исходные данные для варианта 2 (дрейфовый кремниевый n - p - n БТ)

Концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	Концентрация примесей в базе NБ, см-3	Колщина базы w, мкм	Коэффициент неоднородности базы, η
5*1018	5*1016	0.2	2

Результаты исследований

Вариант 2	Коэф. инжекции γ	Коэф. Переноса κ	Коэф. передачи тока ОБ, α	Коэф. передачи тока ОЭ, β	Среднее время пролёта τПР, нс	Предельная частота в схеме ОБ f α ,МГц
Исходный (табл. 1)	0.99988	0.99337	0.99326	147.387	18.5185	8.59436
Однородная база η = 0 (диффузион- ный БТ)	0,99951	0,98039	0,97992	48,8245	55,5555	2,86478
Повышенная концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	0,99998	0,99337	0,99336	149,734	18.5185	8.59436
Повышенная концентрация примесей в базе NБ ,см-3	0,99881	0,99337	0,99220	127,415	18.5185	8.59436
Увеличенная толщина базы w, мкм	0.99976	0.97402	0.97379	37.1705	74.0740	2.14859

Выводы:

При изменении параметров структуры биполярного транзистора (однородность базы, концентрации примесей в эмиттере и базе, толщина базы) существенно меняются коэффициенты инжекции γ, переноса κ, передачи тока в схемах ОБ (α) и ОЭ (β), а также среднее время пролёта и предельная частота. Это подтверждает связь высокочастотных свойств транзистора с профилем легирования и геометрией базы.​

Повышение концентрации примесей в эмиттере улучшает коэффициент инжекции γ и сохраняет высокий коэффициент переноса κ, что приводит к увеличению α и β при почти неизменном времени пролёта; предельная частота при этом остаётся высокой.

Повышение концентрации примесей в базе немного ухудшает коэффициент переноса и передачи тока, но практически не влияет на среднее время пролёта и предельная частота что показывает меньшую эффективность такого способа улучшения параметров.

​

Влияние толщины и однородности базы

Переход к однородной базе (η = 0) приводит к заметному росту времени пролёта и резкому снижению предельной частоты, несмотря на сохранение высоких значений γ и κ; это свидетельствует о том, что для быстродействия выгодна неоднородная база.

​

Практический вывод

Наилучшие частотные свойства демонстрирует исходный вариант с тонкой неоднородной базой и высокой концентрацией примесей в эмиттере, обеспечивающий одновременно большие α, β и предельную частоту при малом времени пролёта. Следовательно, для получения высокочастотных и высокоэффективных биполярных транзисторов необходимо использовать сильно легированный эмиттер, тонкую неоднородную базу и избегать её утолщения или излишнего выравнивания профиля легирования.​

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.

ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧА НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МДП ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы: Изучение принципа работы КМДП - ключа (ключа на комплементарных МДП транзисторах), определение средней работы переключения КМДП - ключа и её связи с топологическим размером транзистора.

Исследуемая схема

Выполнение задания:

Статический режим.

Получение передаточной характеристики U_вых= f(U_вх) и определение потребляемой мощности статического состояния Рстат.

Напряжение источника питания V1 E_пит= 5 В

Ток статического состояния ISource =-15.03 пА =-15,03*10^-12А

Рассчитываем ток всех трех ключей:

I_старт= ISource/3

I_старт= (1,503*10^-11)/3

I_старт=5,01*10^-12 А

Рассчитываем потребляемую ключом мощность статического состояния:

P_мтат=E_пит* I_старт

P_мтат = 5*(5,01*10^-12)

P_мтат =2,505*10^-12 Вт

Временная диаграмма исследуемого среднего ключа.

Быстродействие ключа определяется средним временем переключения:

t = (t₀₁ + t₁₀)/2

где:

t₀₁ – время переключения из состояния 0 в состояние 1, = 0,449 нс = 4,49*10^-10 с

t₁₀ – время переключения из состояния 1 в состояние 0. = 0,538 нс =5,38*10^-10 с

t=(4,49*10^-10 +5,38*10^-10)/2

t=4,935*10^-10 с

Средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений

ISource = 266,281 нА = 266,281*10^-9 А

I_дин= ISource/3

I_дин = (266,281*10^-9)/3

I_дин =88,76034*10^-9 А

E_пит= 5 В

P= I_дин* E_пит

P=(88,76034*10^-9)*5

P= 443,80*10^-9 А

Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей с тактовой частотой f =200 МГц (20*10⁷), то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину:

P_pacc = m*f*P*t

количество ключей m = 10⁸

P_pacc = 10⁸*20*10⁷*443,80*10^-9*4,935*10^-10

P_pacc = 4,4 Дж

Согласно заданному варианту, уменьшить в n раз все три основные емкости транзистора Q1 и Q4:

CGSO – ёмкость затвор-исток;

CGDO – ёмкость затвор-сток;

CGBO – ёмкость затвор-подложка.

Емкости транзистора Q1:

Емкость	Было	Стало
CGSO	200N	50N
CGDO	200N	50N
CGBO	100N	25N

Емкости транзистора Q4:

Емкость	Было	Стало
CGSO	200N	50N
CGDO	200N	50N
CGBO	100N	25N

W=L=5u=5*10^-6

Выполняем новый расчет с изменёнными емкостями транзисторы:

Быстродействие ключа определяется средним временем переключения:

t = (t₀₁ + t₁₀)/2

где:

t₀₁ – время переключения из состояния 0 в состояние 1, = 0,229 нс = 2.29*10^-10 с

t₁₀ – время переключения из состояния 1 в состояние 0. = 0,201 нс = 2.1*10^-10 с

t=( 2.29*10^-10 +2.1*10^-10)/2

t=2,195*10^-10 с

Средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений

ISource = 708,38 нА = 708,38 *10^-9 А

I_дин= ISource/3

I_дин = (708,38 *10^-9)/3

I_дин =236,1267*10^-9 А

E_пит= 5 В

P= I_дин* E_пит

P=(236,1267*10^-9)*5

P= 1 180,63*10^-9 А = 1,181*10^-12

Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей с тактовой частотой f =200 МГц (20*10⁷), то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину:

P_pacc = m*f*P*t

количество ключей m = 10⁸

P_pacc = 10⁸*20*10⁷*1,181*10^-12 *2,195*10^-10

P_pacc = 5,2*10 ⁻⁶ =5,2 мкДж

Рассчитаем минимальный топологический размер видоизмененной схемы w_изм. для этого расчёта имеет вид:

w_изм = w(P_измt_изм/Pt)^1/2

w_изм = 5*10^-6((1,181*10^-12 *2,195*10^-10)/ 5,2*10 ⁻⁶ )^0,5

w_изм = 3,53*10^-14

Вывод:

Свойства исходного КМДП‑ключа

Исследованный ключ на комплементарных МДП‑транзисторах при питании 5 В имеет очень малое потребление энергии в отсутствии переключений.

​

Влияние уменьшения емкостей транзисторов

Уменьшение всех основных паразитных емкостей транзисторов (затвор‑исток, затвор‑сток, затвор‑подложка) привело к заметному сокращению среднего времени переключения примерно вдвое, то есть к росту быстродействия КМДП‑ключа. При этом средний динамический ток и мощность одного ключа увеличились, однако благодаря сокращению времени переключения энергия, рассеиваемая всеми ключами микросхемы за такт, уменьшилась на многие порядки (до микроджоулей).​

Связь с топологическим размером

Расчёт показал, что уменьшение емкостей эквивалентно уменьшению топологического размера транзисторов, что позволяет реализовать более быстрые и энергетически экономичные КМДП‑ключи. Таким образом, лабораторная работа демонстрирует, что миниатюризация и снижение паразитных емкостей являются ключевыми путями повышения быстродействия и снижения энергопотребления современных цифровых интегральных схем на КМДП‑транзисторах.

Справочный материал:

Приставки СИ