Feldeffekttransistoren
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Feldeffekttransistoren Vortrag im Rahmen des Seminars Halbleiterbauelemente Von Thomas Strauß Gliederung Unterschiede FET zu normalen Transistoren FET – Anwendungsgebiete und Vorteile Die Feldeffekttransistorenfamilie JFET – Junction Field Effect Transistor MESFET – Metall Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET – Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistor Zusammenfassung Quellen: Sze (Physic of Semiconductor Devices), Kassing (Physiklaische Grundlagen der Halbleiter Bauelemente), Müller (VL im Elektronikpraktikum), http://www.intel.de Unterschiede zu anderen Transistoren FET Ausbildung eines leitfähigen Kanals zwischen Source und Drain Normale Transistoren Basis-Emitter-Übergang in Fluss-, Kollektor-Emitter-Übergang in Sperrrichtung Injektion von Ladungsträgern am Basis-Emitter-Übergang, Majoritätsund Minoritätsladungsträger Inversionsschicht Nur ein Ladungsträgertyp beteiligt Unipolarer Stromfluss Spannung am elektrisch isolierten Gate steuert Leitfähigkeit des Kanals Spannungsgesteuertes Bauteil Bipolarer Stromfluss Kleiner Basisstrom steuert größeren Kollektorstrom Stromgesteuertes Bauteil viel FET Anwendungsgebiete Analoge Schaltung Verstärkung von Signalen mit hohen Eingangsimpedanzen Mikrowellenverstärkung Integrierte Schaltkreise FET Vorteile Temperaturkoeffizient negativ Einheitliche Temperaturabhängigkeit Kein Problem mit Speichereffekten Zusammenschaltungen klein Die Feldeffekttransistorenfamilie Feldeffekttransistor JFET MESFET MOSFET JFET – Junction Field Effect Transistor Theorie 1952 Shockley erstmals gebaut von Dacey und Ross Sperrschichttransistor VG kontrolliert ISD VSD entgegengesetzt zu VG geschaltet n - channel JFET JFET long channel FET (L»a) Ladungsverteilung gleichförmig Poisson-Gleichung d ²V dE y qN D dy ² dy S Abschnürstrom-/ Spannung I P Zµq ² N D2 a ³ / 6 S L VP V ( y2 a) qN D a ² / 2 S Stromfluss I SDS I SD I P 3VD VP 2 VD VG Vbi VG Vbi 32 32 V 32 P Sättigungsstrom-/ Spannung 32 VG Vbi VG Vbi VSD 2 I P 1 3 V V P P VSDS VP VG Vbi qN D a ² kT N D Na VG ln 2 S q ni2 JFET Kennlinien 3 Regionen Lineare Region ISD ~ VSD Sättigungsbereich ISD ~ const Durchbruchszone ISD rasch ansteigend Leitfähigkeit des Kanals in x-Richtung gD I SD 2 ZµaN D (a y2 ) VSD L JFET Berücksichtigen einer komplexen Ladungsverteilung Keine großartigen Effekte bemerkbar Verteilung relativ egal JFET Berücksichtigen von µ bei (L«a) in Si Bei kurzen/dicken FET Beweglichkeit spielt eine Rolle I‘SD = ISD / (1+ ( µVD / vSL)) I‘SDS = 3 IP (1 – um) / z JFET Berücksichtigen von µ bei (L«a) in Si Bei GaAs ist verhalten noch komplizierter, 2-Regionen-Modell JFET Realisierungen - Betriebsmöglichkeiten Normally on – bei VG=0 fließt bereits ein Strom Normally off – bei VG=0 fließt kein Strom JFET Realisierungen - Bauweisen MESFET – Metall Semiconductor Field Effect Transistor Vorhergesagt von Mead 1966 Gebaut von Hooper und Lehrer Ist im Prinzip genau das gleiche wie ein JFET, nur mit gleichrichtendem Metall-Halbleiterkontakt Hat aber Vorteile wie: Ausbildung der Barriere schon bei geringen Temperaturen Kleiner Widerstand entlang des Kanals Gute Wärmeableitung Nachteile JFET kann so gebaut werden, dass er für Hochfrequenz besser anwendbar ist MESFET Realisierungen MOSFET – Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistor UG bewirkt Inversion Kein Stromfluss über Gate möglich Ladungsabsaugung durch USD Strom ISD~ εOXEOXUSD MOSFET Inversionsschicht MOSFET Bandstrukturen MOSFET Theoretische Kennlinie Ausgangsleitwert Ga= Z/L µ COX (UG – Uth-USD) Sättigungsspannung USDS = UG - Uth Steilheit S = Z/L µ COX USD S*=S/(ZL)=COX / T MOSFET Theoretische Kennlinie Kanalabschnürung Im Bereich l alte Betrachtung gültig Im zweiten Teil zweidimensionaler Feldverlauf MOSFET Theoretische Kennlinie Bisher hieß es: Kurze Kanallängen sind ungünstig Wie kommen wir zu kleinen Bauteilen ??? Skalierung !!! MOSFET Moore‘sches Gesetz Gordon E. Moore 1965 Direktor bei „Fairchild Semiconductor“ MOSFET Bauteile - Realisierungen VMOS HEXFET intgr. CMOS UMOS MOSFET Bauteile - Speicherchip „0“ „1“ Schreiben Entladung Löschen MOSFET Bauteile – MOS Schaltkreise Zusammenfassung FET sind Spannungsgesteuerte Bauelemente FET sind unipolar FET können verschieden realisiert werden FET Kennlinien unterscheiden sich vom Prinzip nicht, nur die Fixpunkte ändern sich
