Feldeffekttransistoren

Transkript

1 Feldeffekttransistoren ortrag im Rahmen des Seminars Halbleiterbauelemente on Thomas Strauß

2 Gliederung Unterschiede FET zu normalen Transistoren FET Anwendungsgebiete und orteile Die Feldeffekttransistorenfamilie JFET Junction Field Effect Transistor MESFET Metall Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistor Zusammenfassung Quellen: Sze (Physic of Semiconductor Devices), Kassing (Physiklaische Grundlagen der Halbleiter Bauelemente), Müller (L im Elektronikpraktikum),

3 Unterschiede zu anderen Transistoren FET Ausbildung eines leitfähigen Kanals zwischen Source und Drain Inversionsschicht Nur ein Ladungsträgertyp beteiligt Unipolarer Stromfluss Spannung am elektrisch isolierten Gate steuert Leitfähigkeit des Kanals Spannungsgesteuertes Bauteil Normale Transistoren Basis-Emitter-Übergang in Fluss-, Kollektor-Emitter-Übergang in Sperrrichtung Injektion von Ladungsträgern am Basis-Emitter-Übergang, Majoritätsund Minoritätsladungsträger Bipolarer Stromfluss Kleiner Basisstrom steuert viel größeren Kollektorstrom Stromgesteuertes Bauteil

4 FET Anwendungsgebiete Analoge Schaltung erstärkung von Signalen mit hohen Eingangsimpedanzen Mikrowellenverstärkung Integrierte Schaltkreise

5 FET orteile Temperaturkoeffizient negativ Einheitliche Temperaturabhängigkeit Kein Problem mit Speichereffekten Zusammenschaltungen klein

6 Die Feldeffekttransistorenfamilie Feldeffekttransistor JFET MESFET MOSFET

7 JFET Junction Field Effect Transistor Theorie 1952 Shockley erstmals gebaut von Dacey und Ross Sperrschichttransistor n - channel JFET G kontrolliert I SD SD entgegengesetzt zu G geschaltet

8 JFET long channel FET (L»a) Ladungsverteilung gleichförmig Poisson-Gleichung Abschnürstrom-/ Spannung Sättigungsstrom-/ Spannung Stromfluss S y qn D dy de dy d ε = ² ² = = = ln 2 ² i D G S D bi G P SDS P SD bi G P bi G P SDS n Na N q kt a qn I I ε S D P S D P a qn a y L a N Zµq I ε ε 2 / ² ) ( 6 ³ / ² 2 2 = = = = ( ) ( ) [ ] { } P bi G bi G D P D P SD I I =

9 JFET Kennlinien 3 Regionen Lineare Region I SD ~ SD Sättigungsbereich I SD ~ const Durchbruchszone I SD rasch ansteigend Leitfähigkeit des Kanals in x-richtung g D I = SD SD = 2ZµaN L D ( a y 2 )

10 JFET Berücksichtigen einer komplexen Ladungsverteilung Keine großartigen Effekte bemerkbar erteilung relativ egal

11 JFET Berücksichtigen von µ bei (L«a) in Si Bei kurzen/dicken FET Beweglichkeit spielt eine Rolle I SD = I SD / (1+ ( µ D / v S L)) I SDS = 3 I P (1 u m ) / z

12 JFET Berücksichtigen von µ bei (L«a) in Si Bei GaAs ist verhalten noch komplizierter, 2-Regionen-Modell

13 JFET Realisierungen - Betriebsmöglichkeiten Normally on bei G=0 fließt bereits ein Strom Normally off bei G=0 fließt kein Strom

14 JFET Realisierungen - Bauweisen

15 MESFET Metall Semiconductor Field Effect Transistor orhergesagt von Mead 1966 Gebaut von Hooper und Lehrer Ist im Prinzip genau das gleiche wie ein JFET, nur mit gleichrichtendem Metall-Halbleiterkontakt Hat aber orteile wie: Ausbildung der Barriere schon bei geringen Temperaturen Kleiner Widerstand entlang des Kanals Gute Wärmeableitung Nachteile JFET kann so gebaut werden, dass er für Hochfrequenz besser anwendbar ist

16 MESFET Realisierungen

17 MOSFET Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistor U G bewirkt Inversion Kein Stromfluss über Gate möglich Ladungsabsaugung durch U SD Strom I SD ~ ε OX E OX U SD

18 MOSFET Inversionsschicht

19 MOSFET Bandstrukturen

20 MOSFET Theoretische Kennlinie Ausgangsleitwert G a = Z/L µ C OX (U G U th -U SD ) Sättigungsspannung Steilheit U SDS = U G -U th S = Z/L µ C OX U SD S*=S/(ZL)=C OX / T

21 MOSFET Theoretische Kennlinie Kanalabschnürung Im Bereich l alte Betrachtung gültig Im zweiten Teil zweidimensionaler Feldverlauf

22 MOSFET Theoretische Kennlinie Bisher hieß es: Kurze Kanallängen sind ungünstig Wie kommen wir zu kleinen Bauteilen??? Skalierung!!!

23 MOSFET Moore sches Gesetz Gordon E. Moore 1965 Direktor bei Fairchild Semiconductor

24 MOSFET Bauteile - Realisierungen MOS intgr. CMOS HEXFET UMOS

25 MOSFET Bauteile - Speicherchip 0 1 Schreiben Entladung Löschen

26 MOSFET Bauteile MOS Schaltkreise

27 Zusammenfassung FET sind Spannungsgesteuerte Bauelemente FET sind unipolar FET können verschieden realisiert werden FET Kennlinien unterscheiden sich vom Prinzip nicht, nur die Fixpunkte ändern sich