Feldeffekt-Transistoren

Grundlagen-Vertiefung zu PS8
Bau und Funktion von Feldeffekt-Transistoren
Version vom 5. März 2013
PS8
Feldeffekt-Transistoren
Feldeffekt-Transistoren (FET) sind Halbleiter-Bauelemente, deren elektrischer Widerstand
durch ein transversales elektrisches Feld beeinflusst werden kann. Im Unterschied zu bipolaren Transistoren wird der Stromtransport durch eine einzige Ladungsträgersorte, seien es
Elektronen oder Defektelektronen, bewerkstelligt. Man spricht daher auch von unipolaren
Transistoren.
Betrachtet man den Ausdruck für den elektrischen Widerstand R
l
R=ρ
bd
mit ρ = n e µ, wobei ρ der spezifische elektrische Widerstand, l die Länge des Bauelementes, b seine Breite, dseine Dicke, n die Elektronenkonzentration (wahlweise ersetzbar
durch die Defektelektronendichte p), e die Elementarladung und µ die Beweglichkeit der
Ladungsträger ist, so ist einsichtig, dass R durch den Einfluss eines elektrischen Feldes
entweder auf n (bzw. p) oder auf d (und damit u.U. implizit auf l) gesteuert werden kann.
Dementsprechend unterscheidet man MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) und JFET (Junction Field Effect Transistor). Bei MOSFET’s wird durch das
Transversalfeld die Ladungsträgerkonzentration n (oder p) moduliert, bei JFET’s hingegen
die Dicke d des Elementes. Je nachdem, ob der Halbleiter p- oder n-dotiert ist, spezifiziert
man p- oder n-MOSFET’s (geläufig sind auch die Bezeichnungen PMOS oder PMOSFET
bzw. NMOS oder NMOSFET) bzw. p- oder n-JFET’s. Werden beide Typen von MOSFET’s in einer integrierten Schaltung nebeneinander verwendet, spricht man von CMOS
(complementary MOS). MOSFET’s werden in 2 Varianten angeboten, die sich auf Grund
ihres unterschiedlichen Aufbaues bezüglich ihres elektrischen Verhaltens unterscheiden: der
selbstleitende Typ (auch Verarmungstyp, normal leitend oder engl. normal-on oder depletion type) und der selbstsperrende Typ (auch Anreicherungstyp, normal-sperrend oder engl.
enhancement type). Man kann also die verschiedenen FET-Typen in Abb. 1 dargestellter
„Genealogie“ zusammenfassen:
Abbildung 1: „Genealogie“ von FET
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JFET
JFETs werden manchmal auch als JUGFET (Junction Gate Field Effect Transistor) bezeichnet. Die Funktionsweise von JFETs ist in der Anleitung zum Beispiel PS8 hinlänglich
beschrieben. Ergänzend kann noch bemerkt werden, dass der in der Anleitung beschriebene
pinch-off Bereich auch als Längenmodulation des leitenden Kanals aufgefasst werden kann,
die allerdings mit der Dickenmodulation durch das Transversalfeld intrinsisch verbunden
ist und nicht unabhängig davon gesteuert werden kann.
Das Schaltsymbol für einen n-JFET sieht man in Abb. 2 links, jenes eines p-JFET rechts.
Abbildung 2: Schaltzeichen von JFET; links - n-JFET, rechts: p-JEFT
MOSFET
Im Gegensatz zum JFET wurde der MOSFET, seltener auch MOST genannt, in einer
Vielzahl von Bauweisen- mit entspechenden Namen- realisiert. Er ist prinzipiell der Gruppe
der Isolated Gate Field Effect Transistoren (IGFET) zuzurechnen und gehört zu den
Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistoren (MISFET). Wie schon erwähnt,
gibt es sie in n-Kanal bzw. p-Kanal Ausführung und in selbstleitender bzw. selbstsperrender
Bauweise.
Bau und Funktionsweise eines selbstleitenden MOSFETs
Ebenso wie der JFET hat ein MOSFET 3 Anschlüsse: Source, Drain und Gate. Die GateElektrode ist durch eine Isolationsschicht vom leitenden Kanal getrennt, wie in Abb. 3
gezeigt.
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PS8
Abbildung 3: Aufbau
eines
MOSFET.
Bildquelle:
kurs.net/elektronik/mosfet-mos-feldeffekttransistor/
http://elektronik-
Abbildung 4: Zustand des selbstleitenden MOSFET bei UGS = 0. Bildquelle:
http://elektronik-kurs.net/elektronik/mosfet-mos-feldeffekttransistor/
Durch entsprechende Dotierung erreicht man, dass dieser Kanal - im Gegensatz zum selbstsperrenden Typ - ohne weiteres Zutun elektrisch leitend ist und daher der Drainstrom ID
ohne angelegte Steuerspannung UGS maximal ist (siehe Abb. 3).
Wird an das Gate eine negative Spannung angelegt, dann werden, wie in Abb. Nr. 5
gezeigt, die Majoritätsladungsträger (also die Elektronen bei einem n-MOSFET) in das
Substrat hineingezogen, der leitende Kanal verarmt an Ladungsträgern und ID nimmt ab.
Die entsprechenden Schaltsymbole sowie die Kennlinien sind in Abb. 8 dargestellt.
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PS8
Abbildung 5: Zustand des selbstleitenden MOSFET bei UGS < 0. Bildquelle:
http://elektronik-kurs.net/elektronik/mosfet-mos-feldeffekttransistor/
Bau und Funktionsweise eines selbstsperrenden
MOSFETs
Ein selbstsperrender MOSFET unterscheidet sich vom selbstleitenden dadurch, dass zwischen Source und Drain ohne Steuerspannung kein elektrisch leitender Kanal existiert, wie
in Abb. 6 dargestellt.
Abbildung 6: Zustand des selbstsperrenden MOSFET bei UGS = 0. Bildquelle:
http://elektronik-kurs.net/elektronik/mosfet-mos-feldeffekttransistor/
Im Gegensatz zum selbstleitenden MOSFET, wo die Ladungsträger durch das Potential am
Gate aus dem Kanal hinausgedrängt werden, müssen sie beim selbstsperrenden MOSFET
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PS8
durch eine entsprechende Spannung am Gate aus dem Substrat erst angezogen werden,
wie in Abb. 7 angedeutet. Besteht das Substrat beispielsweise aus einem p-Typ Halbleiter,
so finden sich dennoch Minoritätsladungsträger (in diesem Fall also Elektronen) in ausreichend hoher Zahl, um den Kanal leitend zu machen. Da das Volumen des Substrates
wesentlich höher ist, als jenes des leitenden Kanals, stellt sich in diesem Kanal eine entsprechend hohe Ladungsträgerkonzentration ein, um ihm hohe Leitfähigkeit zu verleihen.
Dazu muss UGS allerdings erst so hoch sein, nämlich höher als eine sogenannte Schwellenspannung Uth (threshold voltage), dass die Konzentration der Elektronen im Kanalbereich
jene der Defektelektronen übersteigt.
Abbildung 7: Zustand des selbstsperrenden MOSFET bei UGS > 0. Bildquelle:
http://elektronik-kurs.net/elektronik/mosfet-mos-feldeffekttransistor/
FET Varianten
Für spezielle Anforderungen an das Schaltverhalten hat man Varianten entwickelt, deren Produktion jedoch mit erheblichen Herstellungskosten verbunden sind, da sie nicht in
Planartechnik ausgeführt sind. So wird etwa im VMOS-FET das Gate V-förmig ausgeführt, da dadurch die Kanalbreite vergrößert wird, während seine Länge verkürzt wird,
was eine Anwendung als Leistungstransistor nahe legt. Auch FinFETs, bei denen das Gate
sich an einem dünnen Grat befindet, haben einen vergrößerten Gate-Bereich. Die Vielfalt
an FET-Strukturen ist mittlerweilen so hoch, dass sie nicht einmal annähernd erschöpfend
in diesem Rahmen behandelt werden kann. So gibt es mittlerweilen CNT-FET (carbon
nano tube FET), ChemFET (chemical FET), DNA-FET (Bio-Sensor zur Detektion übereinstimmender DNA-Stränge), HEMT (high electron mobility transistor) usw., um nur
einige wenige, aber spektakuläre Anwendungsbereiche aufzuzeigen.
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Schaltsymbole und Kennlinien von FET
Abbildung 8: Übersicht über FET Schaltsymbole und Kennlinien
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