V4Prot_ mitverbesserung

4.3
Der Übertragungsfaktor k berechnet sich nach folgender Formel:
k =  n∗
ox∗0 W
1
∗ =  n∗C ox∗ 2
d ox
L
L
Dabei haben die Größen folgende Bedeutung:
L:
Kanallänge
W : Kanalbreite
µn :
Beweglichkeit der Elektronen
εox : Permittivität (Dielektrizitätskonstante der Oxidschicht)
dox : Dicke der Oxidschicht
Cox : Kapazität der Oxidschicht
4.4
Die Kanaldicke des leitenden Kanals und damit der Source – Drain - Stromfluss wird beim
MOSFET durch Anlegen einer Spannung durch das Gate gesteuert. Da dieses Gate durch die
Oxidschicht isoliert ist, erfolgt am Gate kein Stromfluss (stromlose Steuerung). Deshalb ist die
Steuerung „leistungslos“ denn wenn Leistung abfällt müssen sowohl Strom als auch Spannung
vorhanden sein.
Beim J-FET gibt es statt der Isolierung durch die Oxidschicht einen p-n-Übergang am Gate, der in
Sperrrichtung betrieben wird. So wird auch beim J-FET ebenfalls eine stromlose Steuerung nur
durch die Gatespannung realisiert. Man muss nur aufpassen, dass der in Sperrrichtung betriebene pn-Übergang nicht durchbricht.
4.5
im ohmschen Bereich gilt für ID :
1
I D = k∗U GS −U th ∗U DS − ∗U 2DS ∗1∗U DS 
2
daraus folgt für die Steilheit gm, ohmsch :
gm =
ID
U Ds=const = k∗U DS∗1∗U DS  = k∗U DS ∗U 2DS 
 U GS
sowie für den Ausgangsleitwert gD, ohmschS :
g DS =
ID
3
U GS =const = k∗U GS −U th −U DS 2 ∗U DS∗U GS −U th − U DS 
 U DS
4
im Abschnürbereich gilt für ID :
1
I D = k∗U GS −U th 2∗1∗U DS 
2
daraus folgt für die Steilheit gm, Abschn :
gm =
ID
U Ds=const=2k∗1∗U DS ∗U GS −U th 
 U GS
sowie für den Ausgangsleitwert gDS, Abschn :
g DS =
ID
1
2
U GS =const= k∗U GS −U th  ∗
 U DS
2
Da gm , gDS , und ID,Sat von k abhängen kann die Erhöhung dieser Werte durch verändern der
Parameter von denen k abhängt (siehe 4.3) realisiert werden.
4.6
CGS , CGD und CDS sind kapazitive Effekte zwischen den jeweiligen Anschlüssen;
gDS ist das ohmsche Verhalten eines FETs, da die Inversionsschicht wie ein ohmscher Widerstand
wirkt. Die Stromquelle gmuGS stellt den Source-Drain-Strom IDS dar.
4.7
Eine Erhöhung von UDS auf Werte höher als UDS, Sat = UGS -Uth verkleinert die effektive Kanallänge.
Der Strom ID steigt an. Dies bezeichnet man als Kanallängenmodulation.
4.8
Messbereiche und charakteristische Bauteilwerte
Verwendete Messbereiche der SMU:
U SMU : 0  USMU  20V
I SMU :
200mA
Bauteilcharakteristika
BF 245C
2N5462
BS170
UGS, max
± 30 V
± 15V
± 20 V
UDS, max
± 15 V
40 V
60V (auf 20 V begrenzt)
IDS, max
25 mA
16 mA
500 mA (auf 200 mA begrenzt)
Messaufgaben
5.1
Schwellenspannung / Pinch-Off-Spannungen
BF 245C
2N5462
BS170
Uth = -5,232 V
Uth = 3,636 V
Uth = 2,021 V
bei UDS = 5 V
bei UDS = -1 V
bei UDS = 1 V
5.2
Bestimmung von UDS, Sat = UGS – Uth und Kanallängenmodulation λ.
BF 245C
UGS
UDS, Sat
-2 V
-3 V
-4 V
3,232 V
2,232 V
1,232 V
λ.
2N5462
UGS
9,093E-03 1/V
2V
1V
0V
-1,636 V
-2,636 V
-3,636 V
-0,049 1/V
0,029 1/V
-0,020 1/V
BS 170
UGS
3V
2,8 V
2,6 V
UDS, Sat
0,979 V
0,779 V
0,579 V
0,025 1/V
0,033 1/V
-0,049 1/V
UDS, Sat
λ.
λ.
Ermittelung der Leitwerte siehe Kennlinien.
5.3
Beim Anlegen von UGS > 0 V an den n-FET (BF 245C) wird die Sperrschicht (RLZ) zwischen Gate
und Source immer dünner, je größer UGS wird. Ab UGS > 0,45 V ist die Sperrschicht so dünn, dass
IGS stark ansteigt.
Ähnliches passiert auch beim p-FET (2N5462) und UGS < 0 V weil hier die Raumladungszone
invers der Raumladungszone des n-FETs aufgebaut ist. Auch hier wird die Sperrschicht zwischen
Gate und Source immer dünner, je kleiner UGS wird. Ab UGS < -0,31 V ist die Sperrschicht so dünn,
dass ein negativer Strom IGS fließt.
Beim MOSFET (BS170) zeigt die Eingangskennlinie Stromrauschen im Bereich ± 50 Pikoampere,
welches sich nicht vermeiden lässt. Die Oxidschicht isoliert das Gate und lässt keinen richtigen
Gate-Source-Stromfluss zu.
5.4
Gegebene Parameter:
UDS :
gm, 1V, ohmsch :
λ.2,6V :
L
:
W
εOX :
dOX :
1V
0,0738 S
-0,0419 V-1
1,85*10E-4
3,9* ε0
40 nm
Die 2. Formel aus 4.5 wird umgeformt, um k zu berechnen:
k=
g m ,1V , ohmsch
U DS 2,6V ∗U
2
DS

=
0,0738 S
1
= 0,076 2
1
V
1V−0,0419 ∗1V 2
V
Durch Umformen der Beziehung für k aus 4.3 erhält man für die Beweglichkeit:
L d OX
1
m2
cm2
−4 40nm
n = k∗ ∗
= 0,076 2 ∗1,85∗10 ∗
= 0,0162
= 162
W ox
3,9 0
Vs
Vs
V