Grundlagenpraktikum. Halbleitertechnik Der MOSFET. (Versuch 142)



Ähnliche Dokumente
7. Unipolare Transistoren, MOSFETs

Kleinsignalverhalten von Feldeffekttransistoren 1 Theoretische Grundlagen

Versuch 3. Frequenzgang eines Verstärkers

1. Kennlinien. 2. Stabilisierung der Emitterschaltung. Schaltungstechnik 2 Übung 4

JFET MESFET: Eine Einführung

Kennlinienaufnahme elektronische Bauelemente

Fachbereich Physik Dr. Wolfgang Bodenberger

1. Theorie: Kondensator:

Praktikum Nr. 3. Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik. Versuchsbericht für das elektronische Praktikum

Strom - Spannungscharakteristiken

Arbeitspunkt einer Diode

Messung elektrischer Größen Bestimmung von ohmschen Widerständen

Praktikum Physik. Protokoll zum Versuch: Kennlinien. Durchgeführt am Gruppe X. Name 1 und Name 2 (abc.xyz@uni-ulm.de) (abc.xyz@uni-ulm.

Elektrische Messtechnik, Labor

Halbleiterbauelemente

Dabei ist der differentielle Widerstand, d.h. die Steigung der Geraden für. Fig.1: vereinfachte Diodenkennlinie für eine Si-Diode

Messen mit Dehnmessstreifen (DMS)

Protokoll des Versuches 7: Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie

Bei Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, können Sie neu ansetzen.

Elektrischer Widerstand

Primzahlen und RSA-Verschlüsselung

Digitaltechnik. TI-Tutorium. 29. November 2011

Lineargleichungssysteme: Additions-/ Subtraktionsverfahren

Physikalisches Praktikum I Bachelor Physikalische Technik: Lasertechnik, Biomedizintechnik Prof. Dr. H.-Ch. Mertins, MSc. M.

Skalierung des Ausgangssignals

OECD Programme for International Student Assessment PISA Lösungen der Beispielaufgaben aus dem Mathematiktest. Deutschland

POGGENDORFSCHE KOMPENSATIONSMETHODE

C04 Operationsverstärker Rückkopplung C04

Zeichen bei Zahlen entschlüsseln

1 Wiederholung einiger Grundlagen

IIE4. Modul Elektrizitätslehre II. Transformator

Feldeffekttransistoren

Aufgaben Leiten Sie die Formeln (9) und (10) her! Vorbetrachtungen. Der High-Fall

Elektrische Messtechnik Protokoll - Bestimmung des Frequenzgangs durch eine Messung im Zeitbereich

Praktikum. Elektromagnetische Verträglichkeit

Schriftliche Abschlussprüfung Physik Realschulbildungsgang

1. Versuchsziel und Ausrüstung

TP 6: Windenergie. 1 Versuchsaufbau. TP 6: Windenergie -TP 6.1- Zweck der Versuche:...

Oszilloskope. Fachhochschule Dortmund Informations- und Elektrotechnik. Versuch 3: Oszilloskope - Einführung

Der Bipolar-Transistor und die Emitterschaltung Gruppe B412

Didaktik der Physik Demonstrationsexperimente WS 2006/07

Bipolartransistoren Digitale Kippschaltungen FACHHOCHSCHULE LAUSITZ UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES. Fachbereich Elektrotechnik

Abschlussprüfung Realschule Bayern II / III: 2009 Haupttermin B 1.0 B 1.1

Mobile Intranet in Unternehmen

Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist das große U und wird in der Einheit Volt [V] gemessen.

3B SCIENTIFIC PHYSICS

Projekt 2HEA 2005/06 Formelzettel Elektrotechnik

Aufgabensammlung. a) Berechnen Sie den Basis- und Kollektorstrom des Transistors T 4. b) Welche Transistoren leiten, welche sperren?

50. Mathematik-Olympiade 2. Stufe (Regionalrunde) Klasse Lösung 10 Punkte

Kondensatoren ( Verdichter, von lat.: condensus: dichtgedrängt, bezogen auf die elektrischen Ladungen)

Zahlen auf einen Blick

10. Elektrische Logiksysteme mit

Ulmer Universitäts-Trainingscamp. 1. bis 24. September 2015

Versuch EL-V4: Feldeekttransistoren

Technische Informatik Basispraktikum Sommersemester 2001

Messtechnik-Praktikum. Spektrumanalyse. Silvio Fuchs & Simon Stützer. c) Berechnen Sie mit FFT (z.b. ORIGIN) das entsprechende Frequenzspektrum.

Übungsaufgaben zum 5. Versuch 13. Mai 2012

Approximation durch Taylorpolynome

QM: Prüfen -1- KN

Erstellen einer Collage. Zuerst ein leeres Dokument erzeugen, auf dem alle anderen Bilder zusammengefügt werden sollen (über [Datei] > [Neu])

Info zum Zusammenhang von Auflösung und Genauigkeit

Klausur , Grundlagen der Elektrotechnik I (BSc. MB, SB, VT, EUT, BVT, LUM) Seite 1 von 6. Antwort (ankreuzen) (nur eine Antwort richtig)

Elektromagnetische Verträglichkeit Versuch 1

Lineare Funktionen. 1 Proportionale Funktionen Definition Eigenschaften Steigungsdreieck 3

auf, so erhält man folgendes Schaubild: Temperaturabhängigkeit eines Halbleiterwiderstands

Professionelle Seminare im Bereich MS-Office

Nerreter, Grundlagen der Elektrotechnik Carl Hanser Verlag München. 8 Schaltvorgänge

Grundlagen-Vertiefung zu PS8. Bau und Funktion von Feldeffekt-Transistoren Version vom 5. März 2013

RFH Rheinische Fachhochschule Köln

1.1 Auflösungsvermögen von Spektralapparaten

Technical Note Nr. 101

Informationsblatt Induktionsbeweis

Behörde für Bildung und Sport Abitur 2008 Lehrermaterialien zum Leistungskurs Mathematik

Einführung in. Logische Schaltungen

Naturwissenschaftliche Fakultät II - Physik. Anleitung zum Anfängerpraktikum A2

Konzepte der Informatik

Aufbau und Bestückung der UHU-Servocontrollerplatine

Laborübung Gegentaktendstufe Teil 1

B 2. " Zeigen Sie, dass die Wahrscheinlichkeit, dass eine Leiterplatte akzeptiert wird, 0,93 beträgt. (genauerer Wert: 0,933).!:!!

Induktivitätsmessung bei 50Hz-Netzdrosseln

Das Mathematik-Abitur im Saarland

WinVetpro im Betriebsmodus Laptop

Outlook. sysplus.ch outlook - mail-grundlagen Seite 1/8. Mail-Grundlagen. Posteingang

Der Leverage-Effekt wirkt sich unter verschiedenen Umständen auf die Eigenkapitalrendite aus.

A2.3: Sinusförmige Kennlinie

2.8 Grenzflächeneffekte

Elektronik-Grundlagen I Elektronische Bauelemente

Praktikum Physik. Protokoll zum Versuch: Wechselstromkreise. Durchgeführt am Gruppe X

Fachhochschule Düsseldorf Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Praktikum Elektrotechnik und Antriebstechnik

Mosfet. ELEXBO A-Car-Engineering. ELEXBO Elektro-Experimentier-Box MOSFET-Kit. -Aufbau, Funktionen und Eigenschaften der Feldeffekttransistoren.

Zulassung nach MID (Measurement Instruments Directive)

Mandant in den einzelnen Anwendungen löschen

Technische Informatik Basispraktikum Sommersemester 2001

Ausarbeitung: MOSFET

Copyright by EPV. 6. Messen von Mischspannungen Kondensatoren Brummspannungen

RS-Flip Flop, D-Flip Flop, J-K-Flip Flop, Zählschaltungen

Anleitung über den Umgang mit Schildern

Festigkeit von FDM-3D-Druckteilen

ELEXBO A-Car-Engineering

Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik. Versuchsbericht für das elektronische Praktikum. Praktikum Nr. 2. Thema: Widerstände und Dioden

Transkript:

Universität Stuttgart Fakultät V Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Halbleitertechnik (IHT) Pfaffenwaldring 47 (ETIT II) 70569 Stuttgart Stand 10/2010 Grundlagenpraktikum Aufgabenstellung Feldeffekttransistoren sind aktive Bauelemente, bei denen der Strom im Halbleiter durch ein elektrisches Feld gesteuert wird, welches senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger verläuft. Der Strom lässt sich über eine Änderung der Ladungsträgerkonzentration oder durch eine Variation des Querschnitts des Strompfads steuern (Änderung des leitenden Kanals). In diesem Versuch wird die Transferkennline bzw. Übertragungskennlinie eines MOS Feldeffekttransistors (MOSFET: engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) gemessen. Daraus lässt sich die Schwellwertspannung und die Steilheit im gegebenen Arbeitspunkt bestimmen. Weiterhin wird das Ausgangskennlinienfeld aufgenommen, dessen Bedeutung an einem Anwendungsbeispiel als Verstärker verdeutlicht werden soll. Zielsetzung Ziel des Versuches ist es, die beiden Kennlinienfelder (Ausgangs und Transferkennlinienfeld) eines MOSFETs und die damit verbundenen Transistorkenngrößen samt ihren exakten Definitionen und Bedeutungen kennenzulernen. Vorbereitung des Versuchs Bitte bereiten Sie den Versuch durch ein Studium einschlägiger Literatur anhand der folgenden Stichworte vor: MOSFET, Bauformen von MOSFETs, Kanalform eines MOSFETs als Funktion der angelegten Gate Source und Drain Source Spannung, Ausgangskennline (linearer Bereich, quadratischer Bereich, Sättigungsbereich), Ausgansleitwert und Transconductance, Schwellwertspannung, Transferkennlinie (Dunkelstrombereich, Unterschwellwertbereich, Schwellwertbereich), Steilheit ( Sub threshold Swing ). Literaturempfehlungen 1. Löcherer: Hableiterbauelemente, Teubner, Stuttgart, 1992 2. Thuselt: Physik der Halbleiterbauelemente, Springer, Berlin, 2005 3. Roulsten: An Introduction to the Physics of Semiconductor Devices, Oxford Univ. Press, 1999 4. Schulze: Konzepte Silizium basierter MOS Bauelemente, Springer Verlag, 2005 Einordnung ins Curriculum Der Versuch ist Bestandteil des Grundlagenpraktikums im ersten Semester des Bachelor of Science (B.Sc.) Studiengangs Elektrotechnik und Informationstechnik und wird immer im Wintersemester angeboten. Halbleitertechnik Der MOSFET (Versuch 142)

2 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET Übersicht der Vorlesungen und Praktika des IHT Das IHT bietet im Rahmen des Bachelor of Science (B.Sc.) Studiengangs Elektrotechnik und Informationstechnik drei eng miteinander verknüpfte Vorlesungen und drei damit verbundene Praktika zum Themenkomplex Mikro und Optoelektronik an (vgl. mit der folgenden Übersicht 1). 5 1 2 Grundlagenpraktikum: Basisversuche Bauelemente der Mikroelektronik II (ME II) Halbleitertechnologie I (HLT I) 3 4 Halbleitertechnik I (HL I) Grundlagenpraktikum: HL* MOSFET Teamarbeit: HLT** MOS Kapazität PÜ im Labor: HLT PDBFET Übersicht 1: Vorlesungen und Praktika des IHT im Rahmen des B.Sc. Studienganges Elektrotechnik und Informationstechnik (*Halbleitertechnik, **Halbleitertechnologie) Grundstudium B.Sc. ET & IT Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Der MOSFET (Versuch 142): Ziel dieses Versuches im Grundlagenpraktikum ist es, den MOS Feldeffekttransistor, seine Kennlinienfelder und die damit verbundenen charakteristischen Größen kennenzulernen, erste Erfahrungen mit Transistormesstechnik zu sammeln und experimentell gewonnene MOSFET Daten vollständig und richtig auswerten zu können. Bauelemente der Mikroelektronik II: Ziel der Vorlesung ist es, ein grundlegendes Verständnis der drei Basiselemente eines MOSFETs bzw. eines Bipolartransistors (pn Übergang, Schottky Kontakt und MOS Kapazität zu erarbeiten, um so das physikalische und elektrische Verhalten dieser beiden Transistoren zu verstehen. Dazu ist es u. a. notwendig, ein erstes, tieferes Verständnis des Maxwellschen Gesetztes zu entwickeln. (Somit dient diese Vorlesung auch der Vorbereitung der Vorlesungen zur Theorie der Elektrondynamik und zur Höheren Mathematik.) Fachstudium B.Sc. ET & IT des Schwerpunktes Mikro und Optoelektronik Teamarbeit Halbleitertechnologie: Die MOS Kapazität: Zunächst soll ein idealisierter Herstellungsprozess zur Herstellung einer perfekten MOS Kapazität erarbeitet und diskutiert werden. Im Anschluss soll dieser Prozess soweit durch die technologischen Gegebenheiten am IHT realisierbar im IHT eigenen Reinraum umgesetzt und reale MOS Kapazitäten hergestellt und elektrisch charakterisiert werden. Die dafür entsprechenden Halbleitertechnologien und Messtechniken werden erlernt. Zum Abschluss soll das Verhalten der hergestellten Kapazitäten mit dem Verhalten einer idealen MOS Kapazität verglichen und die vorhandenen Abweichungen diskutiert werden. (Die Teamarbeit baut auf Wissen, welches in der Vorlesung Mikroelektronik II erworben wurde, auf.) Halbleitertechnik I & Halbleitertechnologie I: In der Vorlesung Halbleitertechnik I sollen die Kenntnisse, die im Rahmen der Vorlesung Mikroelektronik erworben wurden, vertieft und erweitert werden. Dazu zeichnet die Vorlesung die historische Entwicklung der MOSFET bzw. Bipolartransistoren von Mikrometerdimensionen hin zu Nanometerdi

Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 3 mensionen nach und erklärt die Halbleitertechnik, die notwendig ist, um eine solche Entwicklung zu ermöglichen. Im Anschluss daran werden dann die Entwicklungen der mit MOSFETs und Bipolartransistoren verbundenen Bauelemente für Logikanwendungen (Inverterstrukturen), Speicheranwendungen (DRAM, SRAM, EEPROM) und für die Leistungselektronik (DMOS, CoolMOS, IGBT, IGT) diskutiert. Das beinhaltet natürlich auch die detaillierte Diskussion der Funktionsweise dieser Bauelemente. Sehr eng mit der Vorlesung Halbleitertechnik I ist die Vorlesung Halbleitertechnologie I verzahnt, da sie die Technologie behandelt, mit der man die genannten Bauelemente herstellen kann. Praktische Übung im Labor: Halbleitertechnologie Der PDBFET: Abgeschlossen werden die durch das IHT angebotenen Lehrinhalte durch eine praktische Übung im Labor, bei der ein sogenannter Planar Doped MOSFET (PDBFET) einer Spezialform des MOSFETs im institutseigenen Reinraum hergestellt und vollständig charakterisiert werden soll. Die Praktische Übung vertieft und erweitert u. a. die Kenntnisse und technologischen Fertigkeiten, die während der Teamarbeit zur MOS Kapazität erworben wurden. (Die Teamarbeit ist nicht zwingend Voraussetzung für eine erfolgreiche Teilnahme an der praktischen Übung.) Im Rahmen des Master of Science (M.Sc.) Studiengangs Elektrotechnik und Informationstechnik (ET & IT) bietet das IHT mehrere miteinander verknüpfte Vorlesungen und ein damit verbundenes Praktikum zum Schwerpunkt Mikro, Opto und Leistungselektronik an (vgl. mit der folgenden Übersicht 2), die auf den Veranstaltungen des gleichnamigen B.Sc. Studienganges aufbauen. 1 2 3 4 Integrierte leistungselektronische Schaltungen Höhere Physik (Ausgewählte Kapitel) Epitaxie (HLT II) Halbleiterproduktionstechnik Power Electronic Devices & Automotive Electronics Halbleitertechnik: Nano CMOS Ära (HL II) Quantenelektronik (QE I) Spintronics und Quantum Computation (QE II) WPT* Werkstoffe der Elektrotechnik Intelligent Sensors & INFOTECH** Actuators PÜ im Labor (Gruppe IV Photonics) *) WPT: Werkstoff & Produktionstechnik **) INFOTECH: Information Technology Übersicht 2: Vorlesungen und Praktika des IHT im Rahmen des M.Sc. Studienganges Elektrotechnik und Informationstechnik

4 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 1. MOSFET Grundlagen Der Feldeffekttransistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, die mit Gate (G), Source (S) und Drain (D) bezeichnet werden. Man unterscheidet zwischen Einzeltransistoren, die für die Montage auf Leiterplatten gedacht und in einem eigenen Gehäuse untergebracht sind, und integrierten Feldeffekttransistoren, die zusammen mit weiteren Halbleiterbauelementen auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden. Dieser gemeinsame Träger stellt einen vierten Anschluss dar, der mit Substrat oder Bulk (B) bezeichnet wird. Dieser Anschluss ist bei Einzeltransistoren intern ebenfalls vorhanden, wird aber dort nicht getrennt nach außen geführt, sondern mit dem Source Anschluss verbunden (kurzgeschlossen). Die Funktion des Feldeffekttransistors beruht darauf, dass mit einer zwischen Gate und Source angelegten Steuerspannung die Leitfähigkeit der Drain Source Strecke beeinflusst wird, ohne dass ein Steuerstrom, wie er im Gegensatz dazu beim Bipolartransistor auftritt, fließt. Die Steuerung erfolgt also (nahezu) leistungslos. Beim MOSFET (engl. Für Metal Oxide Semiconductor Field Effekt Transistor, auch als MISFET Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor oder IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor bezeichnet), der hier betrachtet werden soll, ist das metallische Gate (= Metal ) durch eine Oxidschicht (= Oxide, meist SiO 2 ) vom halbleitenden Kanal (= Semiconductor ) isoliert, siehe Abb. 1. Abb. 1: Schnitt durch einen n Kanal MOSFET (Anreicherungstyp) Die Steuerspannung kann damit beide Polaritäten annehmen, ohne dass ein Strom fließt. Sie beeinflusst die Ladungsträgerdichte in der unter dem Gate liegenden Inversionsschicht, die einen leitfähigen Kanal zwischen Drain und Source bildet und damit einen Stromfluss ermöglicht. Je nach Dotierung des Kanals erhält man selbstleitende ( depletion = Verarmung) oder selbstsperrende ( enhancement = Anreicherung) MOSFETs, auf die im Folgenden näher eingegangen wird. MOS Feldeffekttransistoren werden vorzugsweise in hochintegrierten Schaltungen eingesetzt. Durch die gleichzeitige Verwendung von p und n Kanal Bauelementen lassen sich Schaltungen mit besonders geringem Leistungsbedarf realisieren. Dies sind die sogenannten CMOS Schaltungen (CMOS: engl. Complementary Metal Oxide Semiconductor). 1.1 Übersicht der verschiedenen MOSFET Typen Die vier prinzipiell möglichen Ausführungsformen eines MOS Feldeffekttransistors, sowie deren Schaltzeichen und Kennlinien, sind in Abb. 2 dargestellt. Es ist dabei zwischen n und p Kanal Typen zu unterscheiden. Beim Anreicherungstyp ist kein Kanal

Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 5 zwischen Source und Drain vorhanden, solange die Gate Spannung U GS gleich Null ist. MOSFETs vom Verarmungstyp besitzen bei U GS = 0 V einen leitenden Kanal, sie sperren erst beim Anlegen einer negativen Gate Spannung. Anreicherungstypen werden auch als selbstsperrend und Verarmungstypen als selbstleitend bezeichnet. Infolge der galvanischen Trennung von Gate und Kanal durch die Gate Isolation, die meist aus Siliziumdioxid (SiO 2 ) besteht, ergeben sich Eingangsströme in der Größenordnung von einigen Pikoampere. Das bedeutet eine nahezu leistungslose Steuerung. MOS-FET n-kanal p-kanal Anreicherung Verarmung Anreicherung Verarmung I D -U DS -U DS U DS U DS -I D Abb. 2: Arten von MOSFETs mit Schaltzeichen und Ausgangskennlinienfeldern 1.2 Steuerung des Kanals und Herleitung der Kennlinie Die Steuerung des Kanals erfolgt beim MOS Feldeffekttransistor durch die Änderung der Ladungsträgerkonzentration. Abb. 3 zeigt dies am Beispiel eines n Kanal MOSFETs des Anreicherungstyps. Bei U GS = 0 V kann kein Drain Strom I D fließen, da sich zwischen dem Source und dem Drain Kontakt zwei pn Übergänge befinden (Abb. 3a). Ein positives Gate Source Potential verursacht durch Influenzwirkung die Ausbildung einer Raumladungszone (Löcherverarmung) direkt unter der Gate Elektrode (Abb. 3b). Wird U GS genügend groß (größer als die Schwellspannung U th ), so steigt die Elektronenkonzentration, bis sich schließlich das ursprüngliche p dotierte Silizum im Kanalbereich wie n dotiert verhält. Es bildet sich als Inversionsschicht ein dünner n leitender Kanal (Abb. 3c). Wird jetzt die Spannung U DS > 0 V angelegt, so fließt ein Drain Strom I D. Durch Variation von U DS bzw. U GS kann der Kanal mehr oder weniger abgeschnürt werden. In der Praxis sind somit Kanalwiderstände von etwa R K = 1 Ω bis 1 GΩ zu realisieren.

6 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET S G D d ox U DS >0 n + b n + L p B a) U DS >0 c) Abb. 3: Betriebszustände des n Kanal MOSFETs b) Der n Kanal MOS Feldeffekttransistor des Verarmungstyps weist eine negative Schwellwertspannung auf, d. h. bei U GS = 0 V ist eine Inversionsschicht unter der Gate Elektrode vorhanden. Mit einer negativen Gate Spannung wird die Inversionsschicht zum Verschwinden gebracht; für U GS < U th wird I DS = 0 A. Beim n Kanal MOSFET können also folgende drei Betriebsbereiche unterschieden werden: Sperrbereich, Anlaufbereich und Abschnürbereich. Sperrbereich: Hier ist U GS < U th, d. h. es fließt kein Strom. Anlaufbereich: Hier gilt U GS < U th und 0 V < U DS < U DS,ab. In diesem Bereich lässt sich der MOSFET als steuerbarer Widerstand betrachten. Abschnürbereich: Die Abschnürung kommt beim MOSFET dadurch zustande, dass die Ladungsträgerkonzentration im Kanal abnimmt und dadurch der Kanal abgeschnürt wird; dies geschieht mit zunehmender Spannung U DS zuerst auf der Drain Seite, weil dort die Spannung zwischen Gate und Kanal am geringsten ist. Es fließt zwar weiterhin ein Drain Strom durch den Kanal, weil die Ladungsträger den abgeschnürten Bereich durchqueren können, aber eine weitere Zunahme von U DS wirkt sich nur noch geringfügig auf den nicht abgeschnürten Teil des Kanals aus. 1.3 Ideale Kennlinie Die exakten Herleitungen der Beziehungen für die Kennlinien des idealen MOS Feldeffekttransistors sind recht aufwendig und sollen daher hier nicht gezeigt werden (dies wird ausführlich in der Vorlesung Halbleitertechnik I getan). Es sollen hier nur die Ergebnisse dieser Herleitungen zusammengestellt werden.

Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 7 Die Abschnürung des Kanals durch die Drain Source Spannung zeigt Abb. 4. Inversionsschicht G S p U GK(x) D Abb. 4: Kanalbereich eines n Kanal MOS Feldeffekttransistors V(x) 0 V(L)=U DS Die Drain Source Spannung fällt längs des Kanals ab, und das entsprechende ortsabhängige Potential V(x) verringert die wirksame Gate Kanal Spannung auf U GK = U GS V(x). (1) Dadurch verkleinert sich die Kanalbreite. Da das Potential V(x) in Drain Nähe am größten ist, tritt dort die größte Kanalabschnürung auf. Für U DS = U GS wird U GK = 0 V. Dieser Fall wird Drain seitige Abschnürung oder Sättigung genannt. Über die Flächenladung im Kanal und über das Potential lässt sich der Verlauf der Ausgangskennlinie I D = f(u DS ) ableiten. Für den Anlaufbereich (d. h. U DS U GS U th ) gilt: mit 2 U DS I D = β ( U GS U th ) U DS (2) 2 n b c β = μ ox. (3) L Der Faktor β enthält abgesehen von der Schwellspannung alle transistorspezifischen Größen (Ladungsträgerbeweglichkeit, Breite des Bauelements, Dicke der Siliziumdioxidschicht, Kanallänge). Im Anlaufbereich ergibt sich durch Differentiation der Ausgangsleitwert g 0 I = [( U U ) U ] D = GS th DS U β (4) DS U GS und die Steilheit g m I D = U DS. U = β (5) GS U DS

8 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET Aus Gleichung 4 folgt für die Abschnürgrenze, d. h. für den Übergang vom Anlaufbereich in den Sättigungsbereich, U DS = U U (6) GS th. Im Sättigungsbereich gilt I DS ( U U ) 2 = β GS th (7) 2 und die Steilheit in diesem Bereich lässt sich mit g m I ( U U ) DS = = β GS th (8) U GS berechnen. Abb. 5 zeigt ein typisches Ausgangskennlinienfeld eines n Kanal MOS Feldeffektransistors für verschiedene Gate Source Spannungen U GS. Der Drain Strom I D ist als Funktion der Drain Source Spannung U DS aufgetragen. Der Anlaufbereich des MOSFETs ist grau markiert. 350 300 Anlaufbereich Abschnürbereich U GS= 5,0 V Drainstrom I D [ma] 250 200 150 100 U = 4,5 V GS U = 4,0 V GS U = 3,5 V GS 50 0 0 1 2 3 4 5 6 Drain-Source-Spannung U DS [V] Abb. 5: Ausgangskennlinienfeld eines n Kanal MOSFETs Im Anlaufbereich existiert eine lineare Transferkennlinie, dagegen folgt sie im Abschnürbereich einer quadratischen Funktion, mit dem Scheitelpunkt bei U GS = U th. In der Abb. 6 ist die Transferkennlinie I D (U GS ) für einen Arbeitspunkt im Abschnürbereich (U DS = 9 V) dargestellt. Aus dieser Kurve kann sehr einfach die Schwellspannung U th abgelesen werden.

Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 9 250 Abb. 6: Transferkennlinie eines n Kanal MOSFETs 200 U DS = 9V Drainstrom I D [ma] 150 100 50 U th 0 0 1 2 3 4 5 Gate-Source-Spannung U GS [V] 2. Fragen zur Versuchsvorbereitung 1. Warum geschieht die Steuerung beim MOSFET nahezu leistungslos? 2. Wie muss U GS beim n Kanal Anreicherungstyp gepolt sein, um die Drain Source Strecke leitend zu machen? 3. Welcher Anschluss eines FET ist am ehesten mit der Basis eines Bipolartransistors zu vergleichen und warum? 4. Wozu dienen die Kondensatoren C 1 und C 2 im Verstärkerteil? 3. Versuchsanordnung Die wichtigsten Elemente für die Versuchsdurchführung sind in einem Gehäuse zusammengefasst: MOSFET 2N6660 mit Beschaltung zur Kennlinienaufnahme MOSFET 2N6660 als Kleinsignalverstärker in Source Schaltung Sinus Signalgenerator gesamte Spannungsversorgung Als zusätzliche Geräte stehen zur Verfügung: 2 Vielfachmultimeter 1 Zweikanaloszilloskop Die Abb. 7 und 8 zeigen die Versuchsaufbauten zu den einzelnen Teilaufgaben.

10 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 0..9 V (P2) B1 B2 B3 Abb. 7: Versuchsaufbau zur Kennlinienaufnahme + 9 V I P1 T1 U B5 B4 + 9 V SIN R D C2 C1 Abb. 8: Versuchsaufbau zur Anwendung als Verstärker P3 P4 B6 T2 B7 4. Versuchsdurchführung 4.1 Kennlinienaufnahme eines MOS Transistors Lassen Sie die Spannungsversorgung zunächst ausgeschaltet. Verbinden Sie die Buchsen B1 und B2 mit dem auf Strommessung eingestellten Multimeter. Das andere Multimeter schließen Sie zur Messung von U DS an die Buchsen B3 und B4 an. Zuletzt verbinden Sie Kanal 1 des Oszilloskops mit Buchse B5. Justieren Sie zunächst den Strahl so, dass er auf der untersten sichtbaren Linie zu liegen kommt (dazu Kopplung auf GND ). Stellen Sie die Kopplung auf DC, die Verstärkung auf 0,5 V/DIV, die Zeitablenkung auf 0,2 ms/div. Überprüfen Sie noch einmal die Verkabelung und schalten Sie die Spannungsversorgung ein.

Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 11 Übertragungs bzw. Transferkennlinie Stellen Sie die Drain Source Spannung auf U DS = 0,2 V. Messen Sie I D in Abhängigkeit von U GS und tragen Sie die Werte in folgende Tabelle ein: U GS [V] 0 1 1,5 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0 3,25 3,5 I D [ma] Zeichnen Sie mit diesen Werten die Übertragungskennlinie auf den beigefügten Vordruck. Bestimmen Sie zeichnerisch aus der erhaltenen Kennlinie die Schwellspannung U th. Bestimmen Sie die Steilheit des Transistors für U GS = 3,0 V. Ausgangskennlinienfeld Füllen Sie die folgende Tabelle mit ihren Messwerten für den Drain Strom I D und zeichnen Sie das Ausgangskennlinienfeld auf den beigefügten Vordruck. U DS [V] 0 0,5 1,0 2,0 3,0 6,0 9,0 U GS [V] 2,0 2,5 3,0 3,5 Bestimmen Sie für U GS = 3,0 V, U DS = 6,0 V den differentiellen Ausgangswiderstand des Transistors. Berechnen Sie für U DS = 9 V, U GS = 3,5 V die im Transistor umgesetzte Leistung. Welchen Zusammenhang sehen Sie zwischen diesem Ergebnis und der Feststellung, dass der Strom für U GS = 3,5 V bei zunehmender Drain Source Spannung abfällt?

12 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 4.2 Anwendung als Verstärker Justieren Sie am Oszilloskop den Strahl für Kanal 2 genau auf die mittlere Linie (dazu Kopplung auf GND ). Verbinden Sie Kanal 1 mit Buchse B6 und Kanal 2 mit Buchse B7. Stellen Sie die Kopplung für Kanal 1 auf DC, die für Kanal 2 auf AC. Drehen Sie das Potentiometer P3 (Amplitude des Eingangssignals) auf Linksanschlag. Mit dem Potentiometer P4 können Sie nun den Arbeitspunkt des Transistors verändern. Tragen Sie zuerst in das Kennlinienfeld aus der vorherigen Aufgabe die Arbeitsgerade für R D = 47 Ω ein. Wo würden Sie den Arbeitspunkt wählen, um ein möglichst verzerrungsfreies Ausgangssignal zu erreichen? Stellen Sie mit Potentiometer P4 den gewünschten Arbeitspunkt ein und erhöhen Sie mittels P3 langsam die Eingangsamplitude. Welche Frequenz besitzt das Eingangssignal? Um welchen Faktor wird die Eingangsspannung verstärkt (für niedrige Amplituden)? Stellen Sie nun das Eingangssignal auf maximale Amplitude. Was passiert, wenn Sie den Arbeitspunkt nach links / nach rechts verschieben? Reale Verstärker besitzen immer eine Arbeitspunktstabilisierung, um auch bei Temperaturschwankungen einen konstanten Arbeitspunkt zu gewährleisten. Warum ist das so wichtig?

Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET 13 Arbeitsblatt Übertragungskennlinienfeld

14 Grundlagenpraktikum Halbleitertechnik: Versuch 142 Der MOSFET Arbeitsblatt Ausgangskennlinienfeld