Электроника Лабораторные работы

12

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: № 3

Таблица 1

№. вар.	Тип металла (работа выхода, , эВ)
3	MBR845

Наименование диода по Вашему варианту:

Параметры модели диода:

EG = 0.6 ; BV = 45 ; RS = 0.0119924 ;

CJ0 = 1.3657E-09; TT = 1E-09 ; M = 0.478505

5. В нашем случае в диоде MBR845 значение EG = 0.6 эВ, значит это переход Шотки. Диоды Шотки могут одновременно допускать большие токи (малое RS), обладают малыми тепловыми потерями (за счёт малого напряжения открытого состояния)

6. Так как диоды с ёмкостью CJ0 = 2 пФ и менее предназначены для высокочастотной работы, то диод MBR845 с ёмкостью CJ0 = 1.3657E-09 пФ, будет высокочастотным.

7. Прямая ВАХ:

8. Рассеиваемая мощность: Pрасс = Iмакс x Uмакс = 0.9 * 0.036979 = 0.0332811

Используемый диод относится к классу среднемощных.

9.

Ток открытого диода больше при при Т=57°C, чем при при Т=27°C.

10.

11.

При более высокой температуре, напряжение пробоя уменьшается.

Рассматриваемый диод имеет переход Шотки, является высокочастотным и среднемощным. 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 4 (дрейфовый кремниевый n - p - n БТ)

№ вари- анта	Концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	Концентрация примесей в базе NБ, см-3	Колщина базы w, мкм	Коэффициент неоднородности базы, η
3	10^19	10^17	0.3	3

Результаты исследований

Вариант 3	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)	0,99987	0,98887	0,98875	87,9501	31,25	5,09295
Однородная база η = 0 (диффузион- ный БТ)	0,99927	0,95693	0,95624	21,8712	124,999	1,27323
Повышенная концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	0,99998	0,98887	0,98886	88,7941	31,25	5,09295
Повышенная концентрация примесей в базе NБ ,см-3	0,99880	0,98887	0,98768	80,3166	31,25	5,09295
Увеличенная толщина базы w, мкм	0,99975	0,95693	0,95670	22,1042	125	1,27323

Выводы:

В ходе работы исследовано влияние параметров конструкции на характеристики биполярного транзистора.

Уменьшение неоднородности базы (переход к диффузионному транзистору) резко снижает коэффициент передачи (β с 88 до 22) и частотные свойства (fα с 5.1 до 1.3 МГц) из-за отсутствия ускоряющего поля для носителей. Увеличение толщины базы в 2 раза даёт аналогичный негативный эффект — время пролёта растёт, а предельная частота падает.

Повышение концентрации в эмиттере на порядок слабо улучшает инжекцию (β вырос до 88.8), тогда как увеличение легирования базы, наоборот, ухудшает её (β упал до 80.3).

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

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.

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

Рис. 2. Передаточная характеристика КМДП-ключа в статическом режиме.

Напряжение источника питания:

Ток статического состояния:

Ток одного ключа:

Мощность статического состояния одного ключа:

2. Временная диаграмма исследуемого среднего ключа.

Рис. 3. Временные диаграммы входного и выходного сигналов КМДП-ключа.

Быстродействие ключа определяется средним временем переключения:

где:

t₀₁ – время переключения из состояния 0 в состояние 1, = 0.520нс=5.20∗10⁻¹⁰с

t₁₀ – время переключения из состояния 1 в состояние 0. = 0.481нс=4.81∗10⁻¹⁰с

3. Средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений

Ток источника в динамике:

Ток одного ключа:

Средняя потребляемая мощность одного ключа в динамике:

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

4. 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	25N
CGDO	200N	12N
CGBO	100N	25N

Емкости транзистора Q4:

Емкость	Было	Стало
CGSO	200N	25N
CGDO	200N	12N
CGBO	100N	25N

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

Выполняем новый расчет с изменёнными емкостями транзисторы:

Быстродействие ключа определяется средним временем переключения:

где:

t₀₁ – время переключения из состояния 0 в состояние 1, = 0,151 нс = 1,51*10^-10 с

t₁₀ – время переключения из состояния 1 в состояние 0. = 0,137 нс = 1.37*10^-10 с

t=1,44*10^-10 с

Средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений

Ток одного ключа:

Средняя потребляемая мощность:

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:

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

В ходе лабораторной работы исследован КМДП-ключ и подтверждены его ключевые особенности: минимальное энергопотребление в статическом режиме (порядка Вт) и высокое быстродействие (время переключения около 0.5 нс). Экспериментально показано, что уменьшение межэлектродных ёмкостей транзисторов привело к значительному ускорению работы ключа — среднее время переключения снизилось с с до с, а динамическая потребляемая мощность уменьшилась более чем на два порядка. Это наглядно демонстрирует основную тенденцию развития микроэлектроники: уменьшение паразитных ёмкостей и топологических размеров элементов является основным способом повышения быстродействия и снижения энергопотребления цифровых интегральных схем, что соответствует закону Мура.