Feldeffekttransistoren Physikalische Grundlagen und Eigenschaften v U VEB VERLAG TECHNIK BERLIN
INHALTSVERZEICHNIS Schreibweise und Formelzeichen der wichtigsten Größen 13 Physikalische Grundlagen der Feldeffekttransistoren 23 1. Feldeffekttransistoren - Übersicht 25 1.1. Historische Entwicklung 25 1.2. Grundbeziehungen des unipolaren Ladungstransports in Vakuum- und Festkörpersystemen 30 1.2.1. Stromtransport durch Vakuumsysteme 32 1.2.2. Stromtransport durch Festkörpersysteme. Raumladungsbegrenzte Ströme 33 1.2.3. Abschätzung des Feldeffekttransistorprinzips 37 1.3. Anschlußbezeichnungen, Schaltsymbole 38 2. Physikalische Grundlagen des Sperrschichtfeldeffekttransistors (SFET) 42 2.1. Shockleysche Modellanordnung 43 2.2. Einfluß der Kanaldotierung 54 2.2.1. Symmetrische Dotierung.. 54 2.2.2. Unsymmetrische Dotierung 60 2.3. Verhalten im Abschnürbereich 61 2.4. Beweglichkeitseinfluß ' 67 2.5. Doppelgatesteuerung 71 2.6. Einbezug der Diffusionsspannung 74 3. Physikalische Grundlagen des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate (MIS- und TFT-Transistors) 76 3.1. Elektronische Eigenschaften der Halbleiteroberfläche und MIS-Struktur 76 3.1.1. Halbleiteroberfläche 77 3.1.1.1. Feldstärke, Ladung und Potential eines homogenen Halbleiters im thermischen Gleichgewicht 78 3.1.1.2. Oberflächenleitwert, Oberflächenraumladekapazität 84 3.1.1.3. Oberflächenzustände, Oberflächenzustandskapazität, Oberflächenzustandsleitwert 88 3.1.2. MIS-Struktur 91 3.1.2.1. MIS-Kapazität 95 3.1.2.2. MIS-Struktur und MIS-Transistor 100 3.2. MIS-Transistor 107 3.2.1. Modellanordnung, Grundannahmen, Strom-Spannungs-Gleichung 110
8 Inhaltsverzeichnis 3.2.2. Vereinfachte Kennliniendarstellung 115 3.3. Besondere physikalische Effekte 118 3.3.1. Beweglichkeitseinfluß 119 3.3.2. Kanallängenmodulation, 124 3.4. Substrateinfluß, Substratsteuerung 126 3.5. Dünnfilmtransistoren 131 3.5.1. Kennlinien 132 3.5.2. Beweglichkeitsmodifizierung 135 3.5.3. Vierpoleigenschaften 136 3.5.4. Stabilität 138 4. Geometrie- und Bauformen von Sperrschichtfeldeffekttransistoren, Herstellungsverfahren 139 4.1. Diskrete Transistoren 139 4.1.1. Geometrieformen 139 4.1.2. Herstellungsverfahren 143 4.1.3. Sonderformen 147 4.1.3.1. Unipolarer Strombegrenzer (Feldeffektvaristor) 147 4.1.3.2. Transistor mit verdeckter Abschnürung.., 148 4.1.3.3. Feldeffekttetrode 148 4.2. Transistoren in integrierten Schaltungen 150 5. Geometrie- und Bauformen von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, Herstellungsverfahren 157 5.1. Diskrete MIS-Transistoren 157 5.1.1. Geometrieformen ; 157 5.1.2. Herstellungs-, Materialfragen 160 5.1.3. Sonderformen 168 5.2. Integrierte MIS-Transistoren 171 5.3. Diskrete Dünnfilmtransistoren 174 5.3.1. Materialfragen 176 5.3.2. Sonderkonstruktionen 180 5.3.2.1. Raumladungsbegrenzte Triode 180 5.3.2.2. Hotelektrontriode 182 5.3.2.3. Metallbasisverstärker (Barristor) 183 Technische Eigenschaften und Kennwerte von Feldeffekttransistoren 185 6. Kennlinien und besondere physikalische Probleme der Sperrschichtfeldeffekttransistoren 187 6.1. Kennlinienfelder in verschiedenen Grundschaltungen 189 6.1.1. Gateschaltung 189 6.1.2. Sourceschaltung 190 6.1.3. Drainschaltung 197 6.1.4. Einfluß der Bahnwiderstände 197 6.1.5. Gateeigenschaften 201 6.2. Grenzbelastungen 203 6.2.1. Verlustleistung 205
Inhaltsverzeichnis 9 6.2.2. Maximaler Strom 7 Dma x 206 6.2.3. Abschnürspannung U P 207 6.2.4. Minimaler Drainstrom 208 6.2.5. Durchbruchsverhalten 208 7. Kennlinien und besondere physikalische Probleme von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate 211 7.1. Kennlinienfelder in verschiedenen Grundschaltungen 211 7.1.1. Gateschaltung 211 7.1.2. Sourceschaltung 214 7.1.3. Drainschaltung 216 7.1.4. Erweiterte Kennlinienarbeitsbereiche 217 7.1.5. Einfluß der Bahnwiderstände 218 7.1.6. Gatestrom, Instabilitäten 219 7.1.7. Kennwertstabilisierung 222 7.1.8. Strahlungseinfluß 224 7.2. Grenzbelastung und Aussteuergrenzen 225 7.2.1. Verlustleistung 225 7.2.2. Maximaler und minimaler Strom 226 7.2.3. Schwellspannung U T0, Abschnürspannung U D SP 227 7.2.4. Durchbruchsverhalten 235 8. Lineare Eigenschaften des Sperrschichtfeldeffekttransistors 239 8.1. Strom-Spannungs-Änderungen im Kennlinienfeld 239 8.2. Vierpolgrundschaltungen und -ersatzschaltungen 241 8.3. Ersatzschaltelemente und Vierpolparameter 245 8.4. Vierpolkennwerte bei tiefen Frequenzen 249 8.4.1. Vierpolkennwerte des inneren Transistors 250 8.4.2. Vierpolparameter des äußeren Transistors 254 8.4.3. Betriebsgrößen 255 8.4.4. Arbeitspunkteinfluß 257 8.4.5. Temperaturabhängigkeit 264 8.5. Doppelsteuerung, Grundschaltungen, Vierpolkennwerte 266 9. Lineare Eigenschaften des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate 272 9.1. Vierpolkennwerte bei tiefen Frequenzen 272 9.1.1. Vierpolkennwerte des inneren Transistors 273 9.1.2. Einfluß der Beweglichkeitsmodifizierung auf die Vierpolparameter des inneren Transistors 276 9.2. Vierpolparameter des äußeren Transistors 278 9.3. Arbeitspunkteinfluß 279 9.4. Vierpolkennwerte bei Substratsteuerung 282 10. Frequenzverhalten des Sperrschichtfeldeffekttransistors 287 10.1. Vierpolparameter des inneren SFET 288 10.1.1. Differentialgleichung des Kanalpotentials und ihre Lösung 288 10.1.2. Vierpolparameter in Gate- und Sourceschaltung 292 10.1.3. Näherungen der Vierpolparameter bei mittleren Frequenzen 295 10.1.4. Arbeitspunkt und Frequenzabhängigkeit 296
10 Inhaltsverzeichnis 10.2. Ladung, Kapazitäten *.. 308 10.3. Gütefaktoren 310 10.4. Ersatzschaltungen 312 10.4.1. Gateschaltung 313 10.4.2. Sourceschaltung 317 10.4.3. Einfluß parasitärer Elemente 320 10.5. Vierpolparameter und Ortskurven des äußeren Transistors 321 10.5.1. Vierpolparameter mit Einbezug der Laufzeitkonstanten im abegschnürten Zustand 321 10.5.2. Näherungen bei Vernachlässigung der Laufzeitkonstanten 328 10.6. Doppelsteuerung, Ersatzschaltungen, Kapazitäten 333 11. Frequenzverhalten des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate 344 11.1. Vierpolparameter des inneren Transistors 345 11.1.1. Differentialgleichung des Kanalpotentials und ihre Lösung 345 11.1.2. Vierpolparameter in Gate- und Sourceschaltung 349 11.1.3. Näherungen der Vierpolparameter bei mittleren Frequenzen 351 11.1.4. Arbeitspunkt- und Frequenzabhängigkeit 352 11.1.5. Ortskurven, Vierpolparameter bei sehr hohen Frequenzen 357 11.2. Ladung, Kapazitäten 359 11.3. Gütefaktoren 361 11.4. Ersatzschaltungen 363 11.4.1. Gateschaltung 364 11.4.2. Sourceschaltung 367 11.4.3. Einfluß parasitärer Elemente 371 11.5. Vierpolparameter und Ortskurven des äußeren Transistors 371 12. Temperatureinfluß auf die elektrischen Kennwerte des Sperrschichtfeldeffekttransistors 378 12.1. Temperaturkoeffizienten und ihr gegenseitiger Zusammenhang 378 12.2. Temperaturabhängigkeit des Drainstroms 379 12.3. Temperaturabhängigkeit des Gatestroms 389 12.4. Nichtisothermes Verhalten des Transistors 390 13. Temperatureinfluß auf die elektrischen Kennwerte des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate 395 13.1. Temperaturabhängigkeit des Drainstroms 396 13.2. Substrateinfiuß auf die Temperaturabhängigkeit des Drainstroms 401 13.3. Nichtisothermes Verhalten des Transistors 403 14. Impulsverhalten des Sperrschichtfeldeffekttransistors 405 14.1. Näherungsgleichung für das dynamische Verhalten 407 14.2. Vereinfachte Lösungen 413 14.3. Impulsverhalten auf der Basis der Ersatzschaltung 417 15. Impulsverhalten des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate 421 15.1. Näherungsgleichung für das dynamische Verhalten 421 15.2. Impulsverhalten bei kleinen Aussteuerungen 423 15.3. Numerische Lösung 431
Inhaltsverzeichnis 11 16. Rauschen des Sperrschichtfeldeffekttransistors 436 16.1. Physikalische Rauschursachen 440 16.1.1. Rauschursachen bei sehr tiefen Frequenzen (Funkelrauschen) 441 16.1.2. Rauschursachen bei mittleren Frequenzen (thermisches Rauschen) 449 16.1.3. Rauschursachen bei höheren Frequenzen 452 16.2. Physikalische Rauschursachen und formale Rauschersatzquellen 457 16.2.1. Rauschzahl und formale Rauschersatzquellen 458 16.2.2. Rauschzahl bei sehr tiefen Frequenzen 462 16.2.3. Rauschursachen und Rauschzahl bei mittleren Frequenzen 467 16.2.4. Rauschursachen und Rauschzahl bei höheren Frequenzen 471 16.3. Arbeitspunkteinfluß auf die Rauschzahl 474 17. Rauschen von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate 476 17.1. Physikalische Rauschursachen 477 17.1.1. Rauschursachen bei sehr tiefen Frequenzen 478 17.1.2. Rauschursachen bei mittleren Frequenzen 486 17.1.3. Rauschursachen bei höheren Frequenzen 489 17.2. Physikalische Rauschursachen und formale Rauschersatzquellen 498 17.2.1. Rauschzahl und formale Rauschersatzquellen 498 17.2.2. Rauschzahl bei sehr tiefen Frequenzen 499 17.2.3. Rauschursachen und Rauschzahl bei mittleren Frequenzen 500 17.2.4. Rauschursachen und Rauschzahl bei höheren Frequenzen 503 18. Nichtlineares Verhalten von Feldeffekttransistoren 506 18.1. Sperrschichtfeldeffekttransistor 509 18.2. MIS-Transistor 513 Anhang A 516 Anhang B 521 Literaturverzeichnis 524 Literaturschlüssel 562 Sachwörterverzeichnis 575