Feldeffekttransistoren

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1 Feldeffekttransistoren Physikalische Grundlagen und Eigenschaften v U VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 INHALTSVERZEICHNIS Schreibweise und Formelzeichen der wichtigsten Größen 13 Physikalische Grundlagen der Feldeffekttransistoren Feldeffekttransistoren - Übersicht Historische Entwicklung Grundbeziehungen des unipolaren Ladungstransports in Vakuum- und Festkörpersystemen Stromtransport durch Vakuumsysteme Stromtransport durch Festkörpersysteme. Raumladungsbegrenzte Ströme Abschätzung des Feldeffekttransistorprinzips Anschlußbezeichnungen, Schaltsymbole Physikalische Grundlagen des Sperrschichtfeldeffekttransistors (SFET) Shockleysche Modellanordnung Einfluß der Kanaldotierung Symmetrische Dotierung Unsymmetrische Dotierung Verhalten im Abschnürbereich Beweglichkeitseinfluß ' Doppelgatesteuerung Einbezug der Diffusionsspannung Physikalische Grundlagen des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate (MIS- und TFT-Transistors) Elektronische Eigenschaften der Halbleiteroberfläche und MIS-Struktur Halbleiteroberfläche Feldstärke, Ladung und Potential eines homogenen Halbleiters im thermischen Gleichgewicht Oberflächenleitwert, Oberflächenraumladekapazität Oberflächenzustände, Oberflächenzustandskapazität, Oberflächenzustandsleitwert MIS-Struktur MIS-Kapazität MIS-Struktur und MIS-Transistor MIS-Transistor Modellanordnung, Grundannahmen, Strom-Spannungs-Gleichung 110

3 8 Inhaltsverzeichnis Vereinfachte Kennliniendarstellung Besondere physikalische Effekte Beweglichkeitseinfluß Kanallängenmodulation, Substrateinfluß, Substratsteuerung Dünnfilmtransistoren Kennlinien Beweglichkeitsmodifizierung Vierpoleigenschaften Stabilität Geometrie- und Bauformen von Sperrschichtfeldeffekttransistoren, Herstellungsverfahren Diskrete Transistoren Geometrieformen Herstellungsverfahren Sonderformen Unipolarer Strombegrenzer (Feldeffektvaristor) Transistor mit verdeckter Abschnürung.., Feldeffekttetrode Transistoren in integrierten Schaltungen Geometrie- und Bauformen von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, Herstellungsverfahren Diskrete MIS-Transistoren Geometrieformen ; Herstellungs-, Materialfragen Sonderformen Integrierte MIS-Transistoren Diskrete Dünnfilmtransistoren Materialfragen Sonderkonstruktionen Raumladungsbegrenzte Triode Hotelektrontriode Metallbasisverstärker (Barristor) 183 Technische Eigenschaften und Kennwerte von Feldeffekttransistoren Kennlinien und besondere physikalische Probleme der Sperrschichtfeldeffekttransistoren Kennlinienfelder in verschiedenen Grundschaltungen Gateschaltung Sourceschaltung Drainschaltung Einfluß der Bahnwiderstände Gateeigenschaften Grenzbelastungen Verlustleistung 205

4 Inhaltsverzeichnis Maximaler Strom 7 Dma x Abschnürspannung U P Minimaler Drainstrom Durchbruchsverhalten Kennlinien und besondere physikalische Probleme von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate Kennlinienfelder in verschiedenen Grundschaltungen Gateschaltung Sourceschaltung Drainschaltung Erweiterte Kennlinienarbeitsbereiche Einfluß der Bahnwiderstände Gatestrom, Instabilitäten Kennwertstabilisierung Strahlungseinfluß Grenzbelastung und Aussteuergrenzen Verlustleistung Maximaler und minimaler Strom Schwellspannung U T0, Abschnürspannung U D SP Durchbruchsverhalten Lineare Eigenschaften des Sperrschichtfeldeffekttransistors Strom-Spannungs-Änderungen im Kennlinienfeld Vierpolgrundschaltungen und -ersatzschaltungen Ersatzschaltelemente und Vierpolparameter Vierpolkennwerte bei tiefen Frequenzen Vierpolkennwerte des inneren Transistors Vierpolparameter des äußeren Transistors Betriebsgrößen Arbeitspunkteinfluß Temperaturabhängigkeit Doppelsteuerung, Grundschaltungen, Vierpolkennwerte Lineare Eigenschaften des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate Vierpolkennwerte bei tiefen Frequenzen Vierpolkennwerte des inneren Transistors Einfluß der Beweglichkeitsmodifizierung auf die Vierpolparameter des inneren Transistors Vierpolparameter des äußeren Transistors Arbeitspunkteinfluß Vierpolkennwerte bei Substratsteuerung Frequenzverhalten des Sperrschichtfeldeffekttransistors Vierpolparameter des inneren SFET Differentialgleichung des Kanalpotentials und ihre Lösung Vierpolparameter in Gate- und Sourceschaltung Näherungen der Vierpolparameter bei mittleren Frequenzen Arbeitspunkt und Frequenzabhängigkeit 296

5 10 Inhaltsverzeichnis Ladung, Kapazitäten * Gütefaktoren Ersatzschaltungen Gateschaltung Sourceschaltung Einfluß parasitärer Elemente Vierpolparameter und Ortskurven des äußeren Transistors Vierpolparameter mit Einbezug der Laufzeitkonstanten im abegschnürten Zustand Näherungen bei Vernachlässigung der Laufzeitkonstanten Doppelsteuerung, Ersatzschaltungen, Kapazitäten Frequenzverhalten des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate Vierpolparameter des inneren Transistors Differentialgleichung des Kanalpotentials und ihre Lösung Vierpolparameter in Gate- und Sourceschaltung Näherungen der Vierpolparameter bei mittleren Frequenzen Arbeitspunkt- und Frequenzabhängigkeit Ortskurven, Vierpolparameter bei sehr hohen Frequenzen Ladung, Kapazitäten Gütefaktoren Ersatzschaltungen Gateschaltung Sourceschaltung Einfluß parasitärer Elemente Vierpolparameter und Ortskurven des äußeren Transistors Temperatureinfluß auf die elektrischen Kennwerte des Sperrschichtfeldeffekttransistors Temperaturkoeffizienten und ihr gegenseitiger Zusammenhang Temperaturabhängigkeit des Drainstroms Temperaturabhängigkeit des Gatestroms Nichtisothermes Verhalten des Transistors Temperatureinfluß auf die elektrischen Kennwerte des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate Temperaturabhängigkeit des Drainstroms Substrateinfiuß auf die Temperaturabhängigkeit des Drainstroms Nichtisothermes Verhalten des Transistors Impulsverhalten des Sperrschichtfeldeffekttransistors Näherungsgleichung für das dynamische Verhalten Vereinfachte Lösungen Impulsverhalten auf der Basis der Ersatzschaltung Impulsverhalten des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate Näherungsgleichung für das dynamische Verhalten Impulsverhalten bei kleinen Aussteuerungen Numerische Lösung 431

6 Inhaltsverzeichnis Rauschen des Sperrschichtfeldeffekttransistors Physikalische Rauschursachen Rauschursachen bei sehr tiefen Frequenzen (Funkelrauschen) Rauschursachen bei mittleren Frequenzen (thermisches Rauschen) Rauschursachen bei höheren Frequenzen Physikalische Rauschursachen und formale Rauschersatzquellen Rauschzahl und formale Rauschersatzquellen Rauschzahl bei sehr tiefen Frequenzen Rauschursachen und Rauschzahl bei mittleren Frequenzen Rauschursachen und Rauschzahl bei höheren Frequenzen Arbeitspunkteinfluß auf die Rauschzahl Rauschen von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate Physikalische Rauschursachen Rauschursachen bei sehr tiefen Frequenzen Rauschursachen bei mittleren Frequenzen Rauschursachen bei höheren Frequenzen Physikalische Rauschursachen und formale Rauschersatzquellen Rauschzahl und formale Rauschersatzquellen Rauschzahl bei sehr tiefen Frequenzen Rauschursachen und Rauschzahl bei mittleren Frequenzen Rauschursachen und Rauschzahl bei höheren Frequenzen Nichtlineares Verhalten von Feldeffekttransistoren Sperrschichtfeldeffekttransistor MIS-Transistor 513 Anhang A 516 Anhang B 521 Literaturverzeichnis 524 Literaturschlüssel 562 Sachwörterverzeichnis 575