Download - Feldeffekttransistoren Vortrag im Rahmen des Seminars Halbleiterbauelemente Von Thomas Strauß
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
Inversionsschicht
Nur ein Ladungsträgertyp beteiligt
Unipolarer Stromfluss
Spannung am elektrisch isolierten Gate steuert Leitfähigkeit des Kanals
Spannungsgesteuertes Bauteil
Normale Transistoren
Basis-Emitter-Übergang in Fluss-, Kollektor-Emitter-Übergang in Sperrrichtung
Injektion von Ladungsträgern am Basis-Emitter-Übergang, Majoritäts- und Minoritätsladungsträger
Bipolarer Stromfluss
Kleiner Basisstrom steuert viel größeren Kollektorstrom
Stromgesteuertes Bauteil
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
JFETlong channel FET (L»a) Ladungsverteilung gleichförmig
Poisson-Gleichung
Abschnürstrom-/ Spannung
Sättigungsstrom-/ Spannung
Stromfluss
S
Dy qN
dy
dE
dy
Vd
²
²
2
23
ln2
²
231
i
DG
S
DbiGPSDS
P
SDbiG
P
biGPSDS
n
NaN
q
kTV
aqNVVVV
V
VVV
V
VVII
SDP
SDP
aqNayVV
LaNZµqI
2/²)(
6/³²
2
2
23232323 PbiGbiGDPDPSD VVVVVVVVII
JFETKennlinien 3 Regionen
Lineare Region
ISD ~ VSD
Sättigungsbereich
ISD ~ const
Durchbruchszone
ISD rasch ansteigend
Leitfähigkeit des Kanals in x-Richtung
)(2
2yaL
ZµaN
V
Ig D
SD
SDD
JFETBerücksichtigen einer komplexen Ladungsverteilung
Keine großartigen Effekte bemerkbar
Verteilung relativ egal
JFETBerücksichtigen 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
JFETBerücksichtigen von µ bei (L«a) in Si Bei GaAs ist verhalten
noch komplizierter,
2-Regionen-Modell
JFETRealisierungen - Betriebsmöglichkeiten
Normally on – bei VG=0 fließt bereits ein Strom
Normally off – bei VG=0 fließt kein Strom
JFETRealisierungen - 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
MESFETRealisierungen
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
UMOS
intgr. CMOS
HEXFET
MOSFET Bauteile - Speicherchip
„0“
„1“
Entladung
Schreiben
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