Unipolare Transistoren Klassifizierung. Teil D6: Unipolare Transistoren. Sperrschicht - FET. Unipolare Transistoren. Aufbau. 06 / Teil D6 / Seite 01

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1 Teil 6: Unipolare Transistoren Wirkprinzip, Beschaltung und Funktion Wichtige Kennwerte Transistorrenzwerte tandardschaltungen Anwendungen in der igitaltechnik perrschicht FET n Kanal p Kanal Unipolare Transistoren Klassifizierung Feldeffekttransistoren MOFET Anreicherungstyp Verarmungstyp n Kanal p Kanal n Kanal p Kanal Unipolare Transistoren Verstärken und schalten elektrische ignale. pannungsgesteuerte, aktive Bauelemente. rundmaterial meist ilizium, aber auch aas. ebräuchliche Bezeichnungen: Feldeffekttransistor, FET, Field Effect Transistor. trompfad verläuft vollständig im ndotierten oder im pdotierten Bereich (unipolar). otiertes ilizium mit drei Anschlüssen: ource und rain: Zu und Ableitung des zu steuernden troms. perrschicht FET Aufbau ate (Tor): Anschluss teuerspannung. Raumladungszone ate perrschichtfet (NKanalTyp) rain ndotiert pdotiert ource / Teil 6 / eite 01

2 perrschichtfet Funktion (NKanalTyp) perrschichtfet Funktion (NKanalTyp) ie teuerspannung macht die ate negativ gegenüber der ource. Raumladungszone ie Raumladungszone ate um die perrschicht vergrößert sich. Wie bei der iode kann zwischen ate und U ource kein trom fließen. perrschichtfet rain ource ie vergrößerte Raumladungszone verengt den trompfad zwischen ource und rain. er Widerstand wird größer. U trompfad ate perrschichtfet rain ource U perrschichtfet Funktion (NKanalTyp) perrschichtfet (NKanalTyp) Kennlinie perrschichtfets sind stets selbstleitend. ie Ansteuerung kann die Leitfähigkeit nur verringern. perrschichtfets sind bzgl.ource und rain i. d. R. symmetrisch. U trompfad ate perrschichtfet rain ource U Für U > U p gilt: I = 1 I * ( ) 2 (Parabelform) U p U U p I [ma] I er Betrieb mit positiver atespannung ist möglich, wird aber vermieden, da der Eingangswiderstand stark abnimmt U [V] / Teil 6 / eite 02

3 perrschichtfet Flüssigkeitsmodell perrschichtfet Funktion (NKanalTyp) Ein vergrößerter ruck an der ate verengt den trompfad zwischen ource und rain. er Widerstand wird größer. ate trompfad ummimanschette rain ource ie vergrößerte Raumladungszone verengt den trompfad zwischen ource und rain. er Widerstand wird größer. trompfad ate U perrschichtfet rain ource U perrschichtfet Funktion (NKanalTyp) perrschichtfet (NKanalTyp) Kennlinie perrschichtfets sind stets selbstleitend. ie Ansteuerung kann die Leitfähigkeit nur verringern. perrschichtfets sind bzgl.ource und rain i. d. R. symmetrisch. trompfad ate U perrschichtfet rain ource U Für U > U p gilt: I = 1 (Parabelform) U p U U p I * ( ) 2 I [ma] I er Betrieb mit positiver atespannung ist möglich, wird aber vermieden, da der Eingangswiderstand stark abnimmt U [V] / Teil 6 / eite 02a

4 perrschichtfet (NKanalTyp) Kennlinienfeld perrschichtfet (NKanalTyp) Kennlinienfeld I [ma] Triodenbereich 0 V 1 V U = 2 V Abschnürgrenze Abschnürbereich urchbruchbereich U [V] Ohmscher Bereich: Bei kleinen U : Proportionalität zwischen U und I. eeignet als teuerelement für kleine Wechselspannungen. Triodenbereich: Kennlinie biegt in flachen Anstieg ein. er Bereich endet an der Abschnürgrenze. Abschnürbereich: Meistgenutzter Arbeitsbereich. I hängt fasst ausschließlich von U ab, U hat kaum noch Einfluss. urchbruchbereich: Zerstörung des Transistors. ohmscher Bereich Unipolare Transistoren Bildliche arstellung perrschicht FET ourceschaltung n Kanal perrschichtfet trompfad = ndotierer Halbleiter p Kanal perrschichtfet trompfad = pdotierer Halbleiter Regeln: Im Normalbetrieb steigt das pannungspotenzial zwischen ate und ource in Pfeilrichtung an. pngspotenzial groß trom ource rain klein n Kanal perrschichtfet zu verstärkendes ignal, z.b. Mikrofon. I = 0 atevorspannung R I Last, z.b. Kopfhörer / Teil 6 / eite 03

5 perrschicht FET steuerbarer Widerstand perrschicht FET steuerbarer Widerstand n Kanal perrschichtfet In Nähe des Nullpunktes ist die U I Kennlinie nahezu linear. I [ma] U = 0 V 1 V 2 V U [V] 1 n Kanal perrschichtfet U e R 1 U t Ua Widerstand R des FET hängt von U t ab. Typ. Wert: U t = 0 V: R = Ω U a = U e * R / (R R 1 ) MOFET Anreicherungstyp Aufbau MO = Metal Oxide ilicon ate ist wird nicht durch pnübergang, sondern durch dünne Isolierschicht vom tromkanal getrennt. ource ate ndotiert pdotiert Isolator (Oxid) rain MOFET Anreicherungstyp Wirkprinzip Transistor ist selbstsperrend. atespannung 0 V Zwischen und fließt kein trom, da zwischen ihnen ein pnübergang liegt, der wie eine in perrrichtung geschaltete iode wirkt. = 0 V pdotiert = 0 V ndotiert io 2 pnübergang 12 V = Zwischen ource und ate fließt kein trom / Teil 6 / eite

6 MOFET Anreicherungstyp Wirkprinzip MOFET Anreicherungstyp Kennlinienfeld atespannung > 0 V Elektrostatische Kraft zieht Elektronen unter die Isolierschicht. amit entsteht ein leitender Kanal, der ource und rain verbindet. Flächenelektrode = 0 V n pdotiert 3 V Elektronen io 2 12 V = n I [ma] Parabelform atepannung höher Kanal leitet besser U [V] MOFET Anreicherungstyp Kennlinienfeld MOFET Anreicherungstyp Wichtige Kennwerte Kennlinienfeld ähnlich wie beim perrschichtfet I [ma] Triodenbereich ättigungsbereich ättigung U = 5 V 4 V 3 V Eingangswiderstand Ω bis Ω. Bei einer atepannung von 1 V fließt ein atestrom I von A bis A A entsprechen 6200 Elektronen pro ekunde. Verstärkungsfaktoren i.a. kleiner als bei Bipolartransistoren. B B Bildliche arstellung: U [V] ohmscher Bereich / Teil 6 / eite 05 nkanaltyp pkanaltyp

7 FET Transistorrenzwerte MOFETs in der igitaltechnik Restströme zwischen ate und Kanal: Inverter in CMOTechnik perrschichtfet MOFET Restströme zwischen ource und rain: perrschichtfet MOFET Temperatur: 10 9 A bis A A bis A 1 na bei 25 C; 1 µa bei 150 C 10 na bis 1mA bei 25 C CMO: Complementary MO U e 5V U a leiten, wenn in Pfeilrichtung pannung zunimmt. 150 C dürfen nicht überschritten werden chaltzeiten: wesentlich kürzer als bei Bipolartransistoren Inverter in CMOTechnik CMO Inverter (NOT atter) Inverter in CMOTechnik CMO Inverter (NOT atter) 5V 5V 5V leiten, wenn in Pfeilrichtung pannung zunimmt. 5V leiten, wenn in Pfeilrichtung pannung zunimmt / Teil 6 / eite 06

8 CMO Inverter (NOT atter) Inverter in CMOTechnik: tröme CMO Inverter (NOT atter) Inverter in CMOTechnik: tröme 5V 5V 5V leiten, wenn in Pfeilrichtung pannung zunimmt. 5V leiten, wenn in Pfeilrichtung pannung zunimmt. Es fließt kein trom, da der untere Transistor sperrt Es fließt kein trom, da der obere Transistor sperrt CMO Inverter tröme In CMOBausteinen fließt nur während des Umschaltens trom. 5V 4.3V 0.7V Kurzschluss 0.4 ns Kurzschlusszeit muss minimiert werden. Leitfähigkeit Transistor 1 Leitfähigkeit Transistor 2 Zeit Familie tandard TTL chottky TTL Low Power chottky L TTL Vergleich CMO Bipolar 5 V 5 V 5 V Betriebsspannung atterlaufzeit 10 ns 3 ns 7 ns Verlustleistung pro atter 10 mw 20 mw 2 mw CMO 5V 15V ns µw/khz / Teil 6 / eite 07

9 MOFETs in der igitaltechnik AN in CMOTechnik MOFETs in der igitaltechnik AN in CMOTechnik 5V 5V 5V 5V 5V 5V A B A and B A = B = A and B MOFETs in der igitaltechnik AN in CMOTechnik MOFETs in der igitaltechnik AN in CMOTechnik 5V 5V 5V 5V 5V 5V A = 5V B = A and B A = B = 5V A and B / Teil 6 / eite 08

10 MOFETs in der igitaltechnik MOFETs in der igitaltechnik AN in CMOTechnik A = 5V B = 5V 5V 5V 5V A and B OR in CMOTechnik A B 5V 5V 5V A or B MOFETs in der igitaltechnik RAMZelle, prinzipieller Aufbau atenleitung (1 Bit) Zur Zeit werden ca bis 10 6 Elektronen gebraucht, um die Bitinformation zu speichern MOFETs in der igitaltechnik RAMZelle, prinzipieller Aufbau einer Trench Capacitor Memory Cell Kondensator speichert Bitinformation atenleitung (1 Bit) MOFET rain ate n dotiert rundmaterial pdotiert Isolator ource n Kondensator (nicht maßstabsgetreu) / Teil 6 / eite 09

11 Aufbau eines RAMChips MOFETs in der igitaltechnik RAM, prinzipieller Aufbau einer peicherzelle 5V peicherzellen (bis zu 128 Mill.) atenbit Adressdekodierung atenbit MOFETs in der igitaltechnik RAM, prinzipieller Aufbau einer peicherzelle MOFETs in der igitaltechnik RAM, prinzipieller Aufbau einer peicherzelle atenbit 5V Funktion von PullUpWiderständen atenbit atenbit 5V FlipFlop atenbit / Teil 6 / eite 10

12 MOFETs in der igitaltechnik MOFETs in der igitaltechnik RAM, prinzipieller Aufbau einer peicherzelle atenbit 5V Torwächter atenbit RAM, peichern einer 1 = 5 V 5V atenbit atenbit und aktivieren atenbit leitet MOFETs in der igitaltechnik MOFETs in der igitaltechnik RAM, peichern einer 1 = 5 V 5V atenbit sperrt atenbit und deaktivieren atenbit sperrt RAM, peichern einer 0 = 0 V 5V atenbit atenbit und aktivieren atenbit / Teil 6 / eite 11

13 MOFETs in der igitaltechnik MOFETs in der igitaltechnik RAM, peichern einer 0 = 0 V atenbit sperrt 5V atenbit und deaktivieren atenbit sperrt Flash RAM: nichtflüchtiger peicher Halbleiterspeicher, keine beweglichen Teile; elektrisch beschreibbar, lesbar, löschbar; aten bleiben ohne Versorgungsspannung erhalten; Chipgrößen bis 8 MByte; Zugriffszeit 100mal schneller als bei Festplatten; mindestens Male löschbar; MOFETs in der igitaltechnik MOFETs in der igitaltechnik Flash RAM, prinzipieller Aufbau Isolator (Oxid) ource ate ndotiert pdotiert Floating ate rain reibitzellen sind bereits verfügbar (z.b. Intel) Bitinformation steckt im ourcerainwiderstand EinBitZellen: R minimal R maximal ZweiBitZellen: R minimal R klein R groß R maximal Bit = 0 Bit = 1 Bit = 00 Bit = 01 Bit = 10 Bit = Flash RAM, prinzipieller Aufbau ourcerainwiderstand wird durch Ladungsträger in der Floating ate beeinflusst. Isolator (Oxid) ource ate... ndotiert pdotiert Floating ate mit Ladungsträgern rain Ladungsträger sind durch die Oxidschichten gefangen. Floating ate wird durch spezielle Programmier und Löschspannungen beschickt bzw. entladen / Teil 6 / eite 12