1 7. Halbleiter-Bauelemente 7.1 Vorbemerkung Der homogene
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Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 7. Halbleiter-Bauelemente 7.1 Vorbemerkung Der homogene, dotierte Halbleiter ist kein besonders brauchbares Medium für den Stromtransport. Dazu ist er auch gar nicht vorgesehen, man möchte mit Halbleitern komplexere Effekte wie nichtlineare Kennlinien und Verstärkungen realisieren. Brauchbare Halbleiter-Bauelemente erhält man stets dann, wenn unterschiedliche Bereiche aneinanderstoßen. Man unterscheidet heute: − Übergänge zwischen unterschiedlich dotierten Materialien im selben Halbleiter ("Homojunctions") − Übergänge zwischen unterschiedlich zusammengesetzten Halbleiter-Materialien ("Heterojunctions") − Übergänge zwischen Metall und Halbleiter ("Schottky-Junctions") Homojunctions und Heterojunctions setzen in der Regel (nicht immer) den Aufbau innerhalb eines einzigen Kristalls voraus. Darüber hinaus spielen, insbesondere in MOS-Bauelementen, Isolierschichten eine wesentliche Rolle. Extrem dünne Isolierschichten werden in Transistoren für die Steuerelektroden benötigt. Dickere Isolierschichten trennen Signale und Ströme voneinander. 7.2 Halbleiter-Dioden 7.2.1 Der p-n-Übergang p-dotiert n-dotiert Verarmungsschicht Spannungsquelle Durchlaßrichtung: Sperrichtung: + - - + R Abb. 7.1: Schema des p-n-Übergangs mit äußerer Beschaltung Wir nehmen an, daß innerhalb eines Einkristalls ein p- und ein n-dotierter Bereich aneinanderstoßen. Damit ergibt sich ein in integrierten Halbleiterschaltungen allgegenwärtiges passives Bauelement. An der Grenzfläche zwischen dem p- und dem n-dotierten Bereich werden zunächst die im n-Bereich vorhandenen Elektronen in den p-Bereich hinein diffundieren, wo sie die dort vorhandenen Löcher "auffüllen", also rekombinieren. Dadurch entsteht um den Übergang herum eine von freien Ladungsträgern verarmte sogenannte "Sperrschicht". Sowohl der n-dotierte Bereich des Kristalls als auch der p-dotierte Teil waren für sich isoliert betrachtet elektrisch neutral, weil sich die ortsfesten positiven Ladungen der Atomkerne und die negativen Ladungen der Elektronen gegenseitig jeweils ausglichen. Nun gilt dies nicht mehr: Nach Abluß der Elektronen bleibt im n-Teil eine positive Ladung übrig, im p-Teil erzeugen die rekombinierten Elektronen eine negative Überschuß-Ladung. Damit entsteht in der Sperrschicht ein elektrisches Feld, das der weiteren Diffusion der Elektronen entgegenwirkt und diese stoppt. 1 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 E p- HL n - HL Sperrschicht EF q ²V0 Abb. 7.2: Energieband-Modell des p-n-Übergangs im Gleichgewicht Abb. 7.2 zeigt die Energiebänder bei einem p-n-Übergang im Gleichgewicht. Es tritt ein Ausgleich auf, bei dem ein einheitliches Fermi-Niveau im gesamten Kristall wirksam wird. Die Diffusionsspannung ist bestimmt durch die Größe der Bandlücke bzw. die Lage der FemiNiveaus im p- und im n-dotierten Bereich. Die Sperrschicht im p-n-Übergang hat verschieden Eigenschaften. Sie wirkt sowohl als variabler Widerstand wie auch als Kondensator. Dabei sind der Widerstandswert wie auch die Kapazität durch die von außen angelegte Spannung steuerbar. Legt man eine äußere Spannung an diese Sperrschicht an, so sind verschieden Effekte beobachtbar: Ist die äußere Spannung in derselben Richtung wie die innere "Diffusionsspannung" der Sperrschicht gepolt, so addieren sich beide Spannungen an der Sperrschicht. Die Weite der Sperrschicht nimmt entsprechend zu. Bis auf ganz wenige durch thermische Effekte erzeugte Ladungsträger findet kein Stromfluß statt. Der umgekehrte Fall tritt auf, wenn die äußere Spannung die innere Spannung reduziert. In diesem Fall tritt ab der Spannung, bei der die äußere Spannung die innere Spannung ausgleicht, ein erheblicher Stromfluß in Vorwärtsrichtung auf. Der p-n-Übergang ist in Vorwärtsrichtung oder Durchlaßrichtung gepolt. Der Strom durch den p-n-Übergang ist gegeben durch die Formel: I = q A ( Dp /(LpNd) + Dn / (LnNa) * ni2 (e**(qV/kT) - 1) A ist die Fläche des p-n-Übergangs, Dp und Dn sind die Diffusionskonstanten der Löcher bzw. Elektronen, Lp und Ln sind die jeweiligen "Diffusionslängen" im Halbleiter, d. h. die Abstände von der Grenzschicht, bei der die Konzentrationen von Löchern und Elektronen auf 1/e des jeweiligen Ausgangswertes abgefallen sind. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des p-n-Übergangs ist durch eine Exponentialfunktion gekennzeichnet. 2 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Id U0 Ud Io Sperrstrom Abb. 7.3: Strom-Spannungs-Kennlinie des p-n-Übergangs Damit läßt sich die p-n-Diode als Ventil benutzen: In einer Richtung tritt ein starker Stromfluß auf, in Rückwärtsrichtung wird der Strom bis auf einen meistens sehr geringen Reststrom (I0) gesperrt. In Rückwärtsrichtung zeigt die Kennlinie das Verhalten realer Dioden nur unvollständig. Ab einer genügend großen Spannung in Rückwärtsrichtung wird die Diode "durchbrechen", d. h. leitend werden. Wenn dann durch andere Maßnahmen im Stromkreis der auftretende Rückwärtsstrom begrenzt wird, dann dieser Durchbruch reversibel sein und läßt sich sogar ausnutzen, z. B. zur Stabilisierung von Gleichspannungen. Bei zu hohen Rückwärtsströmen wird allerdings eine starke Erwärmung mit nachfolgender Zerstörung des Bauelementes auftreten. Dioden, welche speziell auf Durchbruch bei bestimmten Spannungen in Rückwärtsrichtung hin gezüchtet sind, heißen ZenerDioden oder Z-Dioden. Sie werden in der Elektronik in zur Stabilisierung von Gleichspannungen, z. B. in Netzgeräten, verwendet. Id Sperrstrom Io Uz U0 Ud Durchbruch Abb. 7.4: Kennlinie einer Z-Diode 7.2.2 Gleichrichter Damit ist der erste Anwendungsbereich für Halbleiter-Dioden gegeben: Sie sind geeignet, in sogenannten Gleichrichter-Schaltungen Wechselströme gleichzurichten oder, anders herum, aus Wechselspannungsquellen Gleichströme abzuleiten. 3 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 i (t) Diode R u (t) u (t) i (t) t Abb. 7.5: Einweg-Gleichrichter Abb. 7.5 zeigt den Gleichrichter-Effekt. Von einer sinusförmigen Eingangsspannung wird nur die positive Halbwelle durchgelassen, der Strom i(t) fließt also nur in eine Richtung. Da die negative Halbwelle nicht ausgenutzt wird, ist der entstehende Gleichstrom äußerst wellig. Eine bessere Ausnutzung liefert die Gleichrichterschaltung mit einer Diodenbrücke. Sie setzt sowohl die positive als auch die negative Halbwelle der Wechselspannung in einen Gleichstrom um. Dies ist die bei weitem technisch wichtigste Gleichrichterschaltung, die in leicht modifizierter Form auch in Drehstrom-Schaltungen verwendet wird. _ u(t) + R Abb. 7. 6: Gleichrichter in Brückenschaltung Hier haben wir Dioden in Anwendungen der Leistungselektronik. Leistungsdioden sollen aufweisen: − eine niedrige Schwellenspannung in Vorwärtsrichtung − eine hohe zulässige Spannung in Rückwärtsrichtung − einen geringen Durchlaßwiderstand in Vorwärtsrichtung − eine gute Ableitung der entstehenden Verlustwärme. 7.2.3 P-N-Dioden in IC-Schaltungen In integrierten Schaltkreisen werden p-n-Übergänge in großer Häufigkeit verwendet, allerdings fast ausschließlich mit negativer Vorspannung als isolierende Sperrschichten. 4 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 metal N-well CMOS Technology gate-oxide field-oxide p - bulk poly-silicon p-channel n-channel GND VDD n+ n+ p+ p+ n-well n-well p- bulk silicon n-diffusion p-diffusion Abb. 7.7: Aufbau eines CMOS-Inverters (Schnitt) Abb. 7.7 zeigt den Schnitt durch ein IC in CMOS-Technologie. Die Grenzen zwischen der nDiffusion des n-Kanal-Transistors und dem p-dotierten Grundsubstrat wie auch die zwischen der nWanne für die p-Kanal-Transistoren und dem Grundsubstrat einerseits und zwischen n-Wanne und pDiffussion der p-Kanal-Transistoren anderseits wird jeweils durch p-n-Übergänge in Sperrichtung gebildet. Der Fall, daß diese Übergänge entweder durch falsche Vorspannung oder wegen eines Durchbruchs leitend werden, bedeutet fast immer, daß die Digitalschaltung nicht mehr funktioniert oder gar zerstört wird. Effekte dieser Art in CMOS-Schaltungen sind in der Vergangenheit als "Latch-Up" zu einer gewissen negativen Berühmtheit gelangt. 7.2.4 P-N-Dioden in Signalschaltungen In der analogen Nachrichtentechnik werden p-n-Dioden für unterschiedliche Zwecke ausgebildet und verwendet. Wegen ihrer Exponentialkennlinie ist die Diode als "Varistor", das ist ein durch die abgelegte Vorspannung gesteuerter Widerstand, verwendbar. Solche Bauelemente sind insbesondere geeignet, modulierte Signale durch Gleichrichtung zu "demodulieren". Für drahtlose Signalübertragung wird einer Hochfrequenz-Schwingung (z. B. bei 100 MHz für UKW-Rundfunk) ein niederfrequentes Signal (z. B. Sprachinformation) aufmoduliert. Amplitude oder Phase oder Frequenz der HF-Schwingung ändern sich im Takt der niederfrequenten Schwingung. An einer nicht-linearen Kennlinie wie die einer Diode wird aus diesem „gemischten“ HF-Signal die Niederfrequenz-Schwingung zurückgewonnen. Ein einem hochfrequenten Träger aufmoduliertes Signal wird also mittel einer Diode in eine niederfrequente Wechselspannung umgesetzt ( z. B. schon in Rundfunkempfängern der 20er Jahre). Für diesen Zweck werden Signaldioden seit langem in Mischern und in Empfängern eingesetzt. Von ebenso großer Bedeutung ist die Verwendung von Signaldioden als spannungsgesteuerte Kapazi-täten, also als variable Kondensatoren. Kapazitäts-Variationsdioden (Varicaps) sorgen z. B. für die Abstimmung der Eingangs-Schwingkreise (Bandpaßfilter) in UHF- und VHF-Fernsehempfängern. 5 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Ck Ck L u (t) Cvar Uvar C Abb. 7.8: Hochfrequenz-Eingangsschaltung mit Varicap-Diode Sowohl Varicaps als auch Varistoren werden dort verwendet, wo ein Nutzsignal zwischen verschiedenen hochfrequenten Trägerfrequenzen umgesetzt werden muß. Ein Beispiel ist das Satellitenfernsehen: Dort wird zunächst eine Eingangssignal im Frequenzbereich von 12 GHz in den UHF-Bereich (um 800 MHz) umgesetzt. Dann erfolgt die weitere Kanalwahl und Decodierung im Fernseh-Empfänger. Als Schalter in Hochfrequenz-Schaltkreisen werden häufig sogenannte p-i-n-Dioden eingesetzt, die zwischen den höher dotierten p- und n-Bereichen noch einen sehr gering dotierten Bereich besitzen, der quasi eigenleitend (intrinsic) ist. 7.2.5 Solarzellen Eine ganz spezielle Anwendung von p-n-Dioden und ähnlicher Halbleiter-Bauelementen sind aktive Energieerzeuger. Setzt man die von Ladungsträgern verarmte Sperrschicht einer Beleuchtung mit geeigneter Wellenlänge (z. B. Sonnenlicht) aus, so werden Elektron-Loch-Paare generiert. Wegen der in der Sperrschicht vorhandenen Diffusionsspannung werden dann Elektronen in den n-Bereich (wegen der ortsfesten positiven Ladungen) bzw. Löcher in den p-Bereich (wegen der ortsfesten negativen Ladungen) transportiert. Werden nun der p- und der n-Bereich extern über einen Arbeitswiderstand verbunden , so fließt darüber ein Ausgleichsstrom. Die maximal verfügbare Spannung einer solchen Zelle entspricht der Diffusionsspannung. Natürlich sind auch p-n-Dioden, die als Solarzellen arbeiten sollen, ganz speziell auszulegen: Insbesondere soll der Weg von der Sperrschicht bis zum äußeren Anschluß möglichst kurz sein, damit möglichst wenig Rekombination auftritt. Solarzellen aus einkristallinem Silizium werden heute schon großtechisch hergestellt und erreichen Wirkungsgrade von ca. 15%. Sie sind aber für die meisten Anwendungen noch zu teuer. Es ist auch möglich, Solarzellen aus amorphem oder polikristallinem Silizium herzustellen. Diese sind wesentlich billiger, haben aber typische Wirkungsgrade unter 10%. 7.2.6 Heterojunction-Dioden Technisch ist es möglich, eine spezielle Art von Diode dadurch zu konstruieren, daß innerhalb eines Kristalls Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung und damit auch mit unterschiedlichem Bandabstand aneinanderstoßen, also z. B. Gallium-Arsenid und Gallium-Aluminium-Arsenid. Als Sperr-Diode eignen sich diese Konstruktionen weniger. 6 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 E wide bandgap semiconductor narrow bandgap semiconductor "Sperrschicht" Leitungsband Ef Valenzband k Abb. 7.9: Bändermodell beim Heterojunction Wenn man sie aber in Flußrichtung betreibt, so kann damit in einem der beiden Kristallbereiche das Leitungsband so stark mit Ladungsträgern versorgt werden, daß eine Rekombination mit Aussendung von Strahlung auftritt (bei direkten Halbleitern). Ist diese Strahlung nicht kohärent, sind also die Lichtquanten "unabhängig", so spricht man von einer Leuchtdiode. Halbleiter-Laser dagegen erzeugen kohärente Strahlung auf einer Spektrallinie. Eine genauere Betrachtung sollte Gegenstand von Vorlesungen über optische Nachrichtentechnik sein. 7.2.7 Metall-Halbleiter-Kontakt Ein technisch und praktisch bedeutende Diodentyp wurde noch nicht behandelt. Es ist die SchottkyDiode. Den grundlegenden Effekt zeigt Abb. 7.9 b. Metall n- Si Version 1: Elektronen fließen vom Metall in den Halbleiter: Ohmscher Kontakt Metall n- Si Sperrschicht Version 2: Elektronen fließen vom Halbleiter ins Metall: Sperrschicht, Schottky-Diode Abb. 7.9b: Metall-Halbleiter-Kontakt Bringt man einen Halbleiter (in der Praxis n-dotiert) in Verbindung mit einem Metall, das z. B. an seiner Oberfläche aufgedampft oder (Technik des Volksempfängers!) als Nadelspitze mit hohem Flächendruck aufgepreßt sein kann, so entsteht ein Metall-Halbleiter-Kontakt. 7 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Je nach der Wert der Austrittsarbeit im Metall bzw. Halbleiter, das ist die Energie, die benötigt würde, um ein Elektron aus dem Leitungsband aus dem Kristallverbund heraus zu befördern, fließen entweder Elektronen vom Metall zum Halbleiter oder vom Halbleiter zum Metall. Im ersten Fall entsteht ein ohmscher Kontakt, wie ihn die Halbleitertechnik milliardenfach in der Form benötigt, im zweiten Fall eine sogenannte Schottky-Diode. Auch dieses Bauelement hat eine Sperrschicht, die allerdings in der Regel dünner und kapazitätsärmer als die von p-n-Dioden ist. Diese Diode taugt (auch wegen niedriger Sperrspannungen in Rückwärtsrichtung) nicht für die Anwendung in der Leistungselektronik. Schottky-Doden sind aber hervorragende Varistoren in Hochfrequenz-Mischerstufen. In Techniken, in denen p-n-Übergänge oder Isolieroxide nicht oder nur schwer herstellbar sind, werden sie auch an den Gate-Anschlüssen von Transistoren verwendet (z. B. in GaAs). Sie stellen dort die einzige technolgisch relativ "billige" Variante der Sperrschichten dar, auch die kleine Eingangs-kapazität ist für Hochfrequenz-Anwendungen günstig. 7.3 Der bipolare Transistor 7.3.1 Grundlagen Um die Funktionsweise eines bipolaren Transistors verstehen zu können, ist eine etwas eingehendere Betrachtung der p-n-Diode notwendig. Verengung n p Sperrschicht Konzentration n0 n (x) p0 p (x) lp ln x Abb. 7.10: Ladungsträger-Konzentration im p-n-Übergang in Flußrichtung Abb. 7.10 zeigt den Verlauf der Ladungsträger-Konzentration im Halbleiter. Zunächst dehnt sich die Sperrschicht proportional stärker in den niedriger dotierten Teil des Halbleiters hinein aus, hier sei eine überwiegende n-Dotierung angenommen. Die Konzentration der Ladungsträger, die im ungestörten dotierten Halbleiter die Werte n0 bzw. p0 hat, fällt in der Sperrschicht und darüber hinaus im jeweils "anderen" Halbleiter stark ab. Trotzdem wird insbesondere vom "überwiegenden" Typ eine immer noch beträchtliche Menge von Ladungsträgern in den jeweils anderen Teil des Halbleiters "injiziert" und rekombiniert erst dort nach einer mittleren Laufstrecke lp bzw. ln mit den Majoritätsträgern des jeweils anderen Bereichs. Für die Länge dieser Laufstrecke ist gerade die mittlere Lebensdauer der Ladungsträger vor der Rekombination von erheblicher Bedeutung. Die Anzahl der hier z. B. in den p-Bereich injizierten Elektronen ist natürlich stark vom Wert der steuernden Spannung abhängig. Wir betrachten nun einen p-n-Übergang in Sperrichtung. 8 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 p n Sperrschicht Abb. 7.11: P-N-Übergang in Sperrichtung Der Sperreffekt bewirkt, daß keine Majoritätsträger (Elektronen im n-Bereich und Löcher im pBereich) durch die Sperrschicht gelangen können. Sollten dagegen Elektronen, also Minoritätsträger, im p-Bereich vorhanden sein, so werden diese abgesaugt und gelangen durch die Sperrschicht in den anderen Bereich. In unserem Beispiel würden also Elektronen, die im p-Bereich nicht rekombiniert sind, durch die Sperrschicht in den n-Bereich und zu dessen Anschluß gelangen. 7.3.2 Aufbau des bipolaren Transistors Ein bipolarer Transistor entsteht dann, wenn man zwei p-n-Übergänge entsprechend kombiniert: n E p n B C E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht Abb. 7.12: Schematischer Aufbau eines bipolaren Transistors Der erste, in Abb. 3.11 linke p-n-Übergang ist in Durchlaßrichtung gepolt, der rechte in Sperrichtung. Außerdem liegen beide Übergänge so nahe beieinander, daß von den von der linken nZone, "Emitter" genannt, in die mittlere p-Zone, Basis genannt, injizierten Elektronen ein großer Teil die rechte Sperrschicht erreicht, ohne vorher zu rekombinieren (Abb. 7. 13 b). Diese Elektronen werden als Minoritätsträger durch die rechte Sperrschicht gesaugt und erreichen die rechte n-Zone, auch "Kollektor" genannt. Wenn nun auch noch der Emitter eine hoch dotierte Zone darstellt, die Basis nur 1/10 so stark dotiert ist und der Kollektor nochmals etwa um den Faktor 10 geringer, dann weist der Transistor eine hohe Stromverstärkung auf: Mit einem kleinen Strom zwischen Emitter und Basis (Ib), das sind gerade die Elektronen, die in der Basis rekombinieren, kann ein viel stärkerer Strom zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden. Das Bauelement arbeitet als Verstärker. I e E m itter B a s is n p E n B E-B-Sperrschicht Ic K o llektor C B--C-Sperrschicht Ib - + Rbe + Rce Abb. 7.13a: Bipolarer Transistor mit Strömen und äußerer Beschaltung 9 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Überlagert man dem Strom Ib, der den p-n-Übergang in Flußrichtung hält, einen schwachen Wechselstrom, so wird dieser erheblich verstärkt. Mit einem Widerstand Rc im Kollektorkreis läßt sich dort auch eine verstärkte Spannung abgreifen. Im Transistor dieser Art kommen sowohl Elektronen als auch Löcher als Ladungsträger vor, auch wenn nur eine Art die dominierende Rolle spielt. Deshalb wird er auch als „bipolarer Transistor“ bezeichnet. n E n (x) E-B-Sperrschicht p n B C B--C-Sperrschicht n=Nd Nd np0 Abb. 7.13b: Verlauf der Ladungsträger-Konzentration im bipolaren Transistor Im nach seiner Schichtfolge genannten npn-Transistor sind die Elektronen dominierend, im pnpTransistor die Löcher. npn-Transistor pnp-Transistor Da im Silizium die Beweglichkeit der Elektronen etwa dreifach höher ist als die der Löcher, werden in der Praxis npn-Transistoren bevorzugt. In bipolaren digitalen Schaltungen kommen sie fast ausschließ-lich vor. 7.3.3 Eigenschaften des bipolaren Transistors Der bipolare Transistor ist ein ausgezeichneter Verstärker und in dieser Beziehung bei gleicher Strukturgröße und gleichem Strom dem MOS-Transistor, dem derzeitigen "Arbeitspferd" der Mikroelektronik, überlegen. Er erreicht auch höhere Grenzfrequenzen. Bipolare Transistoren mit bis zu 20 GHz Grenzfrequenz existieren heute als Hochfrequenz-Bauelemente. Ein Grund dafür ist die „mitten im Stoff“, wo der bipolare Transistor seinen Strom führt, höhere Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher, verglichen mit der Beweglichkeit nahe an der Halbleiter-Oberfläche, wo im MOS-Transistor der Strom fließt. Noch schneller machen kann man den bipolaren Transistor dadurch, daß die Basis-Zone als SiliziumGermanium-Mischkristall aufgebaut wird (Si-Ge-Mischtechnologie). Technologie-Führer auf diesem Gebiet ist (neben der Daimler Benz AG) das Institut für Halbleiterphysik in Frankfurt / Oder. Eine wesentliche Eigenschaft des bipolaren Transistors kann man ihm "direkt ansehen". Er benötigt stets einen Eingangsstrom, um zu funktionieren. Eine Signalsteuerung ohne Bereitstellung eines Eingangsstromes funktioniert nicht, man hat also keine "leistungslose" Steuerung. Die Elektriker sagen, daß der bipolare Transistor eine "stromgesteuerte Stromquelle" ist. Für manche Anwendungen, insbesondere dort, wo Transistoren als Schalter eingesetzt werden, ist dies ein Nachteil. 10 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Dies ist ein Grund, weshalb die bis in die 80er Jahre auch bei integrierten Schaltungen dominierenden bipolaren Schaltkreise (die vor allem in Großrechnern verwendet wurden), an Bedeutung verloren haben. Sie werden aber auch heute noch in sogenannten "Bi-CMOS-Technolgien" in Kombination mit den heute vorherrschenden CMOS- Schaltungen verwendet. Den weiteren prinzipiellen Nachteil bipolarer Schaltungen zeigt der Blick auf eine reale Transistorstruktur, wie sie in bipolaren integrierten Schaltungen verwendet wurde. Basis Emitter p+ Kollektor n++ Basis n+ nburried layer Isolator n++ (vergrabene Schicht) Abb. 7.14: Aufbau eines integrierten bipolaren Transistors Zunächst einmal ist der Aufbau nicht gerade einfach, verglichen z. B. mit einem MOS-Transistor. Insbesondere der Kollektor ist ein Sorgenkind. Er muß zwecks guter Stromverstärkung zwar niedrig dotiert sein, niedrig dotierte Zonen im Halbleiter sind aber auch nur schlecht leitend, deshalb bewirken sie "langsame" Bauelemente. Hier hilft man sich damit, daß für den Stromtransport zwischen Basis und Kollektor-Anschluß zusätzlich eine gut leitende sogenannte "vergrabene Schicht" eingebaut wird. Viel wichtiger ist aber, daß jeder bipolare Transistor durch spezielle Isolationsschichten zu den Seiten hin (im Schnitt) bzw. rundum (in der Fläche) isoliert werden muß. Solche Isolatoren kosten Platz. Der integrierte MOS-Transistor, die große Konkurrent, isoliert sich automatisch selbst und benötigt deshalb viel weniger Platz. Dies und der Stromverbrauch haben dazu geführt, daß bipolare Bauelemente in der Digitaltechnik heute eher ein Schattendasein führen. Es gibt noch einen weiteren Grund. Der bipolare Transistor ist in seiner Funktion viel komplizierter als MOS-Transistoren, wie wir noch sehen werden. Auch für die Simulation integrierter Schaltkreise benötigt er ein wesentlich komplexeres Modell als ein MOS-Transistor mit mehr Parametern. Im Gegensatz zum MOS-Transistor hat nämlich der Ausgangskreis einer bipolaren Verstärkerstufe (meistens geschaltet zwischen Kollektor und Emitter) eine erhebliche Rückwirkung auf den Eingangskreis (zwischen Basis und Emitter). Er macht also mehr Aufwand auch für die Simulation komplexer Netzwerke. 7.3.4 Arbeitspunkte, Klein- und Großsignalbetrieb In allen herkömmlichen Lehrbüchern der Elektronik wird der Transistor als aktives Verstärkerelement ausführlich beschrieben. Unter der Voraussetzung, daß ein bipolarer Transistor bei nahezu festen Werten für die anliegende Spannung und den durch Basis, Kollektor und Emitter fließenden Strom betrieben wird, spricht man von Kleinsignalbetrieb. Dioden und Transistoren sind dank exponentieller Kennlinien (siehe DiodenEingangskennlinie) stark nichtlineare Bauelemente. Für den Kleinsignalbetrieb kann man in guter Näherung eine Linearisierung durchführen. Dann und nur dann besteht ein Transistor-Modell aus Widerständen, Kondensatoren und gesteuerten Stromquellen. Den Kleinsignalbetrieb zeigt Abb. 7.15. 11 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Ausgangs-Kennlinienfeld Ic Vcc Arbeitsgerade Rc R1 C out in Ib B Arbeitspunkt E Re R2 GND Uce Abb. 7.15: Bipolarer Transistor im Kleinsignalbetrieb Für die Simulation gilt diese Näherung aber dann nicht, wenn der Transistor als Schalter im on / offBetrieb gefahren wird, also über den gesamten möglichen Bereich von Strömen und Spannungen betrieben wird. Generell ist dies in der Digitaltechnik der Fall. Dort werden Transistoren durchaus auch in ungewöhnlichen Betriebszuständen betrieben. Dies kann zum Beispiel der Zustand der Sättigung sein (Ube > Uce, beide p-n-Übergänge leitend), in dem der Transistor sehr niederohmig wird, aber auch eine größere Menge von Ladung speichert. Arbeitsmodus des Transistors Ic "Sättigung" Ausgangs-Kennlinienfeld BE-Diode CB-Diode gesp. leitend gesp. inaktiv normal aktiv leitend invers aktiv Sättigung Ib Lastkennlinie Uce Inversbetrieb Abb. 7.16: Bipolarer Transistor im Großsignalbetrieb Für einen solchen Betrieb wird natürlich ein relativ aufwendiges Großsignal-Modell des bipolaren Transistors verwendet. Das bekannteste ist das Gummel-Poon-Modell der Ladungssteuerung, für das bis zu mehr als 30 Parameter aus der Technologie notwendig sind. Bipolare Logiken, bei denen die Transistoren in den Bereich der Sättigung gefahren werden, nennt man "gesättigte Logiken" im Gegensatz zu "ungesättigten Logiken", wo dieser Zustand gezielt vermieden wird. Bipolare Logiken sind heute vorwiegend von historischem Interesse. Ein immerwährendes Problem ist aber das der Simulation mit falschen Modellen. Wer als Informatiker oder Elektriker eine digitale Schaltung an der Transistorebene entwirft und zur Validierung eine Simulation (z. B. mit SPICE) einsetzt, wird ohne die richtigen Simulationsmodelle zwar hübsche Kurven als Ergebnis bekommen, die aber mit der Realität der Schaltung nichts zu tun haben ! 12 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 7.4 Feldeffekt-Transistoren 7.4.1 Grundlagen Ganz zu Anfang dieser Vorlesung wurde berichtet, daß es bereits in den 30er Jahren erste theoretische Arbeiten zu sogenannten Feldeffekt-Transistoren gegeben hat. Die grundlegende Idee dazu konnte man sich von den Elektronenröhren ausleihen: drain RD gate + Us source Abb. 7.17: Schema eines Feldeffekt-Transistors Eine Signalquelle (Us) steuert über eine Steuerelektrode (gate) den Stromfluß durch eine Lastkreis. Dieser Stärkere Strom fließt zwischen den Elektroden Source (Quelle) und Drain (Abfluß). Idealerweise ist dazu, ganz im Gegensatz zum biplaren Transistor, kein Eingangsstrom Gate-Drain notwendig. Im Gegensatz zum ziemlich komplex aufgebauten und funktionierenden bipolaren Transistor ist die Funktionsweise zunächst mal viel einfacher. Bei der Elektronenröhre kann man den Strom dadurch steuern, daß man eine Gitter-Elektrode mehr oder weniger stark negativ auflädt. Das elektrische Feld zwischen Gate und Source und nicht ein Steuerstrom sollen den Verstärkereffekt bewirken, deshalb auch "Feldeffekt-Transistor" (abgekürzt FET). Im Prinzip kommt man bei einem solchen Bauelement mit nur einer Sorte von Ladungsträgern aus, in den meisten Fällen werden das in der Praxis Elektronen sein, obwohl auch FETs mit Löcher-Leitung eine Rolle spielen. Der FET ist also ein unipolarer Transistor Daß diese einfachen FETs nicht viel eher als die komplizierten bipolaren Transistoren technisch gebaut wurden liegt daran, daß bei den meisten Bauformen der Stromfluß nahe an der Oberfläche des Kristalls stattfindet, statt, wie beim bipolaren Transistoren, im Inneren. Halbleiter-Oberflächen sind aber technologisch viel schwieriger zu beherrschen als ein homogenes Material. Die aus den 60er Jahren stammenden ersten FETs hatten dann auch eine Leitung mehr im Inneren, erst in den 70er Jahren wurden FETs mit Oberflächen-Leitung zur Serienreife entwickelt. Die unterschiedlichen Typen von FETs, die technische verwendet wurden und werden, unterscheiden sich im wesentlichen bezüglich der Art der Steuerelektrode und der Art des Grundmaterials. Man kann quasi einen "Stammbaum der FETs" angeben: 13 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 FET IGATE-FET J-FET (Si) Si-MOSFET n-Kanal MESFET GaAs-MODFET p-Kanal normal- normal- normalon off off GaAs-IGATE- SI-MESFET FET normalon GaAs-MESFET normalon normaloff GaAs-FET-ICs nMOS CMOS BICMOS pMOS bipolar Abb. 7.18: Stammbaum der FETs und resultierende Schaltkreis-Technologien Die ersten in den 60er Jahren verfügbaren FETs waren aus Silizium und hatten p-n-Übergänge an der Steuerelektrode. Bei dieser Bauform ist der p-n-Übergang mehr oder weniger immer in Sperrichtung vorgespannt. Die Steuerwirkung ergibt sich durch die mit der Sperrspannung zu- oder abnehmende Weite der Sperrschicht, die sich weit in den Kristall hinein ausdehnt. Der Nachteil dieser Bauform ist der begrenzte Bereich der Eingangsspannung. Wird der p-nÜbergang an der Steuerdiode leitend, so ist das Bauelement praktisch nicht mehr verwendbar. In ICs haben solche FETs nie Anwendung gefunden, wohl aber als Einzel-Transistoren für den Einsatz in rauscharmen Hochfrequenz-Verstärkern. Die zweite Bauform verwendet statt eines p-n-Übergangs einen Metall-Halbleiter-Übergang. Diese Bauform wird oft auch als MESFET (Metall-Semiconductor-FET) bezeichnet. In Silizium-Technik hat es Anwendungen als rauscharme Verstärker in Hochfrequenz-Schaltungen gegeben. Der MESFET auf der Basis von Gallium-Arsenid ist dagegen das wichtigste Verstärkerbauelement der Mikrowellen-technik, also für Frequenzen von über 1 GHz geworden. Man kann damit heute Signale bis über 20 GHz verstärken. Kombiniert man den MESFET mit den "Tricks" der Hetero-Junctions, so lassen sich sogenannte "modulationsdotierte FETs" (MODFETs) herstellen, die als Einzelbauelemente bis über 100 GHz funktionieren. GaAs-MESFETS sind aber auch die Grundlage von GaAs-IC-Technlogien, die in den 80er Jahren entstanden. GaAs ist gegen Beeinflussung von außen potentiell störfester als Silizium und wurde deshalb von den Militär-Elektronikern favorisiert. Man kann mit einigen Tricks sowohl selbstleitende als auch selbstsperrende Transistoren bauen und sogar integrieren, aber nur für einen kleinen Spannungsbereich (meistens weniger als 1 Volt). In Vorwärtsrichtung werden Schottky-Übergaänge bei ca. 0,2 V leitend, in Rückwärtsrichtung brechen sie bei geringen Spannungen durch. GaAS-Schaltkreise sind schnell, aber aufgrund des problematischen Materials (nicht bruchfest, Komponenten sind giftig) auch schlecht zu handhaben und sehr teuer. Heute verwendet sie kaum jemand außerhalb der Mikrowellentechnik. 14 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Die dritte Form des Gates ist das durch eine Isolierschicht gebildete Gate. Technisch kann man Silizium-Dioxid (SiO2) oder Silizium-Nitrid (Si3N4) verwenden. Im ersten Fall spricht man vom MOS-FET, dem zweifellos wichtigsten Bauelement der derzeitigen IC-Technologie. IG-FETs mit Silizium-Nitrid sind auf GaAs-Basis versucht worden. IG-FETs haben den großen Vorteil, daß, ausgenommen den Fall der Zerstörung durch hohe Überspannungen, die Gates bei keiner Eingangsspannung leitend werden. Man kann sie auch deshalb hervorragend in Digitalschaltungen einsetzen. Für den Einsatz von aktiven Bauelementen in Signalschaltungen spielen „Rauscheigenschaften“ eine große Rolle. Durch unterschiedliche Effekte erzeugen alle Bauelemente intern Störsignale durch statistische Schwankungen von Spannungen und Strömen. Diese Störsignale überlagern sich, z. B. bei Verstärkern, den Nutz-Signalen und können diese sogar verdecken. Das ist ein Grund dafür, daß man keine beliebig kleinen Signale reproduzieren kann. Für den Einsatz in Hochfrequenz-Verstärkern ist ein geringes eigenes Rauschen eines Bauelements eine Grundforderung. In dieser Hinsicht sind bipolare Transistoren und J-Fets oft besser als MOS-Transistoren. 7.4.2 Der MOS-Transistor MOS-Transistoren sind als selbstleitende oder selbstsperrende Bauelemente und entweder mit pKanal oder n-Kanal fertigbar. Durch geschickte Kombination solcher Transistortypen hat man die verschiedenen MOS-Technologien erhalten (p-Mos, n-MOS, CMOS). Durch die Kombination der CMOS-Technik mit bipolaren Technologien ist in den 70er Jahren die BICMOS-Technologie entwickelt worden. MOS-Transistoren können als p- oder n-Kanal-Bauelemente gefertigt werden. gate poly-silicon n+ oxide source gate poly-silicon n+ p+ source drain bulk (p-) silicon oxide p+ drain bulk (n-) silicon n-channel enhancement MOS p-channel enhancement transistor transistor Abb. 7.19: MOS-Transistoren in p- und n-Kanal-Version Der n-Kanal-MOSFET wird auf der Basis eines schwach p-leitenden Grundsubstrats gefertigt. Wenn das Grundsubstrat ("bulk") stets auf 0 V - Potential gehalten wird und die n-diffundierten Bereiche nie negative Spannungen annehmen, so ist der aktive (n-dotierte) Bereich stets "automatisch" gegen das Grundsubstrat durch einen p-n-Übergang isoliert. Die bei bipolaren Techniken notwendige Trenndiffusion kann entfallen. Beim p-Kanal-MOSFET muß dagegen der Bulk-Bereich auf Betriebsspannung (z. B. 5V) gelegt werden, die p-dotierten Kanalbereiche sind auf negativerer Spannung. Damit ergibt sich auch hier eine "Isolierung" durch einen p-n-Übergang. Zur Erklärung der Funktion gehen wir zunächst von einem n-Kanal-Transistor aus, bei dem der Raum unterhalb des Gates nicht n-diffundiert ist. Das Bauelement ist also bei einer (positiven) Spannung des Drain-Anschlußes (rechts) gegenüber der Source (links) und einem auf null Volt liegenden Gate-Anschluß selbstsperrend. Man spricht dann von einem "Anreicherungstyp" (enhancement). Durch das Anlegen einer positiven Spannung an das Gate werden nun negative Ladungsträger aus dem Bulk-Gebiet angezogen und bilden einen leitenden sogenannten "Kanal" unter der Gate-Elektrode. Dieser Effekt bedingt ein sehr dünnes Gate-Oxid (bis unter 0,1 Mikrometer bei heutigen Technologien), das entsprechend hohe Anforderungen an die Qualität der IC-Fertigung stellt. 15 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Nimmt man zunächst eine kleine Spannung Uds zwischen Source und Drain an, so wird der Kanal bei einer sogenannten Schwellenspannung Uth leitend. Der Gate-Anschluß muß dazu also um den Wert Uth gegenüber dem Substrat sowie Source und Drain vorgespannt sein. gate poly-silicon n+ n+ source leitender Kanal leitender Kanal oxide drain Ugs >> Uds bulk (p-) silicon n+ n+ source Ugs = Uds drain bulk (p-) silicon Abb. 7.20: MOS-Transistor mit Abschnüreffekt des Kanals Nimmt man an, daß die Drain-Source-Spannung Uds klein gegenüber der Vorspannung des Kanals ist, so nimmt mit zunehmender positiver Gate-Vorspannung der Widerstand im Kanal ab und entsprechend der Stromfluß zu. Der MOS-Transistor verhält sich in diesem sogenannten "Anlaufbereich" wie ein etwa linearer gesteuerter Widerstand. Ids Sättigungsbereich AnlaufUgs als bereich Parameter Uds Abb. 7.21: Ausgangskennlinienfeld eines MOS-Transistors Bei höheren Spannungen zwischen Source (O V) und Drain (z. B. 5 V) fällt diese Spannung entlang des Kanals ab. Dadurch wird dieser inhomogen: In der Nähe des Source-Anschlußes ist die Spannung zwischen Source und Gate am höchsten, der Kanal am breitesten. Zum Drain hin wird die Spannung zwischen Kanal und Gate-Anschluß geringer. Dort, wo sie einen Wert von nur noch Uth erreicht, wird der Kanal "abgeschnürt". Das bedeutet einen nahezu konstanten Strom, auch bei höherer Source-Drain-Spannung. Man nennt diesen waagerechten Teil im Kennlinienfeld den "Sättigungsbereich". 16 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 W G a te P o ly - S i Source D r a in dox n + n+ Sperrschicht Sperrschicht p - Substrat Lkeff Lk Abb. 7.22: Struktur und Maße des MOS-Transistors Die wichtigsten Abmessungen des MOS-Transistors sind die Kanallänge, wobei man die geometrische Lk von der effektiven Länge Lkeff unterscheidet, die Breite W des Gate-Bereichs und die Dicke der Gateoxid-Schicht dox. Für die Strom-Spannungskennlinie des MOS-Transistors gilt: e0 er m W Ids = ------------ [ (Ugs - Uth) Uds - 1/2 Uds2] lk dox Dabei ist e0 die sogenannte "Dielektrizitätskonstante" im Vakuum (8,854 *10**-12 As / Vm), er ist die relative Dielektrizitätskonstante des jeweiligen Stoffes, für das Gate-Oxid hier für SiliziumDioxid (SiO2), m ist die relative Beweglichkeit der Ladungsträger (hier die relative Beweglichkeit der Elektronen im Kanal an der Halbleiter-Oberfläche). Man kann diese Gleichung auch anders schreiben, wenn man Cox als Kapazität des Gate-Oxids einführt mit: e0 er lk W Cox = -------dox Für den Sättigungsbereich gilt eine vereinfachte Strom-Spannungsgleichung. Cox m Ids = --------- (Ugs -Uth) 2 2 lk2 Demnach hat der MOS-Transistor eine quadratische Strom-Spannungskennlinie. Im Sättigungsbereich ist der Ausgangsstrom von der Source-Drain-Spannung nahezu unabhängig (siehe auch das Kennlinienfeld). Im Anlaufbereich kann man für kleine Source-Drain-Spannungen näherungsweise angeben: Uds2 << Uds Dann hat der Anlaufbereich eine nahezu lineare Strom-Spannungskennlinie: Cox m Ids = -------- (Ugs - Uth) Uds lk2 17 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Ein wichtiges Maß für die Fähigkeit eines Bauelementes ist sogenannte Steilheit gm. Dieser Parameter bestimmt die Höhe der erreichbaren Signalverstärkung pro Stufe. Die Steilheit für den MOS-Transistor ist definiert als: Cox m gm = d Ids / d Ugs = -------- (Uds)sat lk2 Die höchste für den aktiven Betrieb des Transistors erreichbare Betriebsfrequenz ist die sogenannte Transitfrequenz fT. Sie ist direkt abhängig von der Steilheit und vom Gate-Oxid: gm fT = ----------2p Cox Wir haben hier eine relativ einfache Abhängigkeit von Verstärkung und Transitfrequenz von der effektiven Kanallänge. Beide steigen umgekehrt proportional mit der Verkürzung der Kanallänge an. Eine sinkende Oxiddichte hat den gleichen Einfluß. Damit ist klar, weshalb die HalbleiterTechnologen seit 20 Jahren erfolgreich versuchen, immer kürzere Kanallängen und immer dünnere Gateoxid-Schichten herzustellen. Insgesamt ähnelt das Ausgangskennlinienfeld dem des bipolaren Transistors, allerdings versteht man unter "Sättigung" in beiden Fällen völlig unterschiedliche Effekte. Während der bipolare Transistor eine exponentielle Abhängigkeit zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom hat, ist die hier quadratisch. Der bipolare Transistor ist also prinzipiell der bessere Verstärker. Es sei darauf hingewiesen, daß alle für den Klein- bzw. Großsignalbetrieb beim bipolaren Transistor durchgeführten Betrachtungen entsprechend auch für den MOS gelten. Nur wird man diesen kaum als Kleinsignalverstärker einsetzen, sondern fast ausschließlich als Schalter in der Digitaltechnik. (Eine Ausnahme: Da man MOS-Transistoren mit mehreren Gates bauen kann, lassen sich damit einfache Schaltungen für Mischung und Modulation von Signalen in der Radio- und Fernsehtechnik bauen). Wird einem n-Kanal-Transistor bei der Fertigung ein leitender Kanal mit eingebaut, so entsteht ein MOS-Transistor vom Verarmungstyp. Um den Kanal zu sperren, wird eine negative Spannung am Gate benötigt. Ansonsten entsprechen Verhalten und Kennlinienfeld dem Anreicherungstyp. Sowohl der Anreicherungstyp als auch der Verarmungstyp sind auch als p-Kanal-Transistoren möglich, wobei die entsprechend anderen Polaritäten der Spannungen zu berücksichtigen sind. Abb. 7.23 zeigt eine Übersicht der verschiedenen MOS-Transistoren. 18 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 n-Kanal-Typen p-Kanal-Typen selbstsperrend selbstsperrend Uds > 0, Ugs > 0 Uds < 0, Ugs < 0 n-Diffusion p-Diffusion Polysilizium n-Substrat p-Substrat Gate-Oxid selbstleitend Uds > 0, Ugs < 0 Feldoxid selbstleitend Uds < 0, Ugs > 0 Metall n-Substrat p-Substrat Abb. 7.23: Typen-Übersicht für MOS-Transistoren Praktische Bedeutung haben der selbstleitende und der selbstsperrende n-Kanal-MOS (in der nMOSTechnologie) und die Kombination von selbstsperrenden n-und p-Kanal-Typen in der CMOSTechnologie gewonnen. Da die Beweglichkeit von Elektronen etwa dreimal höher ist als die von Löchern, muß für gleiche Leitfähigkeit der p-Kanal-Transistor entsprechend ca. dreimal breiter als das n-Kanal-Pendant sein. Um Platz zu sparen wurden deshalb auch CMOS-Technologien entwickelt, bei denen als aktive logische Schalter nur n-Kanal-Transistoren zum Einsatz kommen. Eigentlich hat der MOS-Transistor eine weitere mögliche Steuerelektrode, nämlich den Substratanschluß (Bulk). In den meisten Anwendungen wird der Bulk-Anschluß auf 0 V - Potential liegen. Manchmal wird der Substratanschluß auch mit der Source verbunden. Jedenfalls kann ein fehlerhaft modellierter Substratanschluß beim Entwurf von analogen ICs zu bösen Simulationsfehlern führen ! Für den Entwurf von Schaltungen mit MOS-Transistoren muß dessen elektrisches Verhalten simuliert werden. Zu diesem Zweck ist, wie auch für den bipolaren Transistor, ein Ersatzschaltbild notwendig. Dieses enthält für linearen Kleinsignalbetrieb Widerstände, Kondensatoren und gesteuerte Strom- und / oder Spannungsquellen. G Cgb Cgs S Rs Id Cgd Rd D Cdb B Abb. 7.24: Ersatzschaltbild für den MOS-Transistor Abb. 7.24 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild für einen MOS-Transistor im Großsignalbetrieb. Einschließlich des Grundsubstrats (Bulk) hat der Transistor vier Anschlusse. Die Werte der Widerstände und Kondensatoren können aus der Werten von Diffusionsdichten, Schichtdicken usw. für den Fertigungsprozeß gewonnen werden. 19 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 7.4.3 Großintegration und Kurzkanal-Effekte Ein wesentlicher Vorteil des MOS-Transistors gegenüber bipolaren Elementen ist, die vorstehend gezeigt, der geringere Platzverbrauch durch den Effekt der Selbstisolation der Source- und DrainBereiche. MOS-Transistoren haben aber darüber hinaus die Eigenschaft, durch Verkürzung der Kanallänge schneller und, was die Verstärkung eines einzelnen Transistors betrifft, in etwa linearer Weise mit fallender Kanallänge auch besser zu werden. Die maximalen Schaltfrequenzen von MOS-Transistoren mit Kanallängen von 0,5 um und darunter liegen also bereits weit im Bereich der Mikrowellentechnik. Es gibt aber durchaus Effekte, welche eine beliebige Verkürzung der Kanäle unterbinden. Zunächst sorgt die Ausdehnung der Sperrschicht zwischen Drain und Substrat für eine Verkürzung der geometrischen Kanallänge auf einen kürzeren effektiven Wert. Für die Modellierung des Verhaltens der Schaltung muß dieser Wert berücksichtigt werden. Die über eine Kanallänge von weniger als 1 um und auch an der Sperrschicht zwischen Kanal und Gate (von weniger als 0,1 um Dicke) abfallenden Spannungen sorgen für extrem hohe elektrische Feldstärken. Dann können einige Elektronen so hohe Energien erreichen, daß sie die Oxidschicht mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts überwinden und im Gate erscheinen. Die wichtigsten KurzkanalEffekte sind in Abb. 7.25 zusammengefaßt. Tunnel-Effekt Gate Poly-Si Source Drain dox n + n+ Sperrschicht Sperrschicht p - Substrat Lkeff Lk Kanalverkürzung Abb. 7.25: Kurzkanal-Effekte Bei Submikrom-Schaltungen muß man, um den Tunneleffekt kontrollieren zu können, mit Betriebsspannungen unter 5 V arbeiten. Die gegenwärtige Prozessor-Generation arbeitet z. B. mit 3.3 V statt 5V. ICs mit Versorgungsspannungen unter 2V werden in Zukunft eher die Regel als die Ausnahme sein. Für eine 0,1 Mikrometer CMOS-Technologie würde man wohl auf eine Versorgungsspannung von 0,8 V gehen. Diese Spannungsreduktion bringt gleichzeitig auch eine Reduktion der Verlustleistungen, was hocherwünscht ist. Die Verlustleistung steigt nämlich quadratisch mit der Höhe der Versorgungsspannung. Es gibt aber auch einige sehr negative Aspekte: Mit sinkenden Versorgungsspannungen fallen auch die Störabstände, die Schaltungen werden also empfindlicher gegen eingestreute Störsignale von außen. Die Sperrwirkung von p-n-Übergängen wird mit steigender Sperrspannung exponentiell besser. Wird der Unterschied zwischen High- und Low-Spannung reduziert, so erhöht sich damit zwangsweise der Pegel der Leckströme im Schaltkreis. Selbst dann, wenn man beliebig kleine Strukturen im Halbleiter wirtschaftlich erzeugen könnte, ist also eine gewisse "Sättigung" der technologischen Entwicklung auf der Basis der "klassischen" Silizium-Technologie erkennbar. 20 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Damit sind einer weiteren unbegrenzten Reduzierung der Strukturgrößen im IC durchaus Grenzen gesetzt. Bis diese aber erreicht sind (mit Extrapolation der bisherigen Entwicklung ca. im Jahre 2015 mit 0,07 Mikrometer-Strukturen) sind noch einige Generationen von Speichern und Prozessoren zu erwarten. 7.4.4 MESFETs Die außerhalb der Silizium-Technologie, insbesondere auf Gallium-Arsenid verwendeten MESFETs seien hier vorwiegend der Vollständigkeit halber betrachtet. Gate Source Drain n- Diff. n - Diff. Grundsubstrat (semi-isolierend) Sperrschicht Abb. 7.26: Struktur eines MESFET In der Gallium-Arsenud-Technologie wird meistens mit einem semi-isolierenden weil nur sehr niedrig dotierten (meistens mit Chrom) Grundsubstrat gearbeitet. Die n-Kanal-MESFETs sind normalerweise selbstleitend. Für Anwendungen in der Digitaltechnik sind aber selbstsperrende MESFETs günstiger. Diese werden durch eine Tchnologie erzeugt, bei der das Gate ins Grundsubstrat zurückgezogen (recessed) ist. Wegen des geringen Spannungsbereichs in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung muß in der digitalen GaAs-Technologie mit relativ niedrigen Spannungshüben unter 1 Volt gearbeitet werden. Einerseits wird nämlich der Schottky-Kontakt bei Spannungen in Flußrichtung von ca. 0,5 V und weniger schon gut leitend, andererseits kann er auch in Sperr-Richtung nur ca. mit 1 V Sperrspannung beaufschlagt werden, ohne durchzubrechen. Source Drain Gate Grundsubstrat Abb. 7.27: Recessed-Gate-MESFET Es hat sich auch erwiesen, daß für sehr kurze Kanallängen der prinzipielle Geschwindigkeitsvorteil des GaAs-MESFET gegenüber dem MOSFET auf Si-Basis abnimmt. Die höhere Beweglichkeit der Elektrononen im GaAs wirkt sich besonders bei kleineren elektrischen Feldstärken aus. Im Kurzkanal erreichen aber wegen der hohen Feldstärke die Elektronen fast die sogenannte Sättigungs-Driftgeschwindigkeit. Und diese Größe ist in Si und GaAs fast gleich. Eine nochmalige Steigerung der Schaltgeschwindigkeit ist dann mit dem im vorherigen Abschnitt diskutierten "Trickstrukturen" unter Verwendung von Heterojunctions möglich. 21 Informatik V-Teil 1, Kap. 7, WS 98/99 Während GaAs-FETs, die mit Heterojunctions aufgebaut sind, als sogenannte MODFETs seit einiger Zeit verwendet werden (als Verstärker in Mikrowellenschaltungen bis über 100 GHz), kommen Heterojunction-Bauelemente auf der Basis von Silizium und Germanium gerade aus den Labors. Von Großintegrationstechniken ist man in beiden Fällen noch weit entfernt. 22
