Feldeffekttransistoren

1. Feldeffekttransistoren Vortrag im Rahmen des Seminars Halbleiterbauelemente Von Thomas Strauß

2. 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

3. 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 Unterschiede zu anderen Transistoren

4. FET Anwendungsgebiete • Analoge Schaltung • Verstärkung von Signalen mit hohen Eingangsimpedanzen • Mikrowellenverstärkung • Integrierte Schaltkreise

5. FET Vorteile • Temperaturkoeffizient negativ • Einheitliche Temperaturabhängigkeit • Kein Problem mit Speichereffekten • Zusammenschaltungen klein

6. Die Feldeffekttransistorenfamilie

7. 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

8. JFETlong channel FET (L»a) • Ladungsverteilung gleichförmig • Poisson-Gleichung • Abschnürstrom-/ Spannung • Sättigungsstrom-/ Spannung • Stromfluss

9. JFETKennlinien • 3 Regionen • Lineare Region ISD ~ VSD • Sättigungsbereich ISD ~ const • Durchbruchszone ISD rasch ansteigend Leitfähigkeit des Kanals in x-Richtung

10. JFETBerücksichtigen einer komplexen Ladungsverteilung • Keine großartigen Effekte bemerkbar • Verteilung relativ egal

11. 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

12. JFETBerücksichtigen von µ bei (L«a) in Si • Bei GaAs ist verhalten noch komplizierter, • 2-Regionen-Modell

13. JFETRealisierungen - Betriebsmöglichkeiten • Normally on – bei VG=0 fließt bereits ein Strom • Normally off – bei VG=0 fließt kein Strom

14. JFETRealisierungen - Bauweisen

15. 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

16. MESFETRealisierungen

17. MOSFET – Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistor • UG bewirkt Inversion • Kein Stromfluss über Gate möglich • Ladungsabsaugung durch USD • Strom ISD~ εOXEOXUSD

18. MOSFETInversionsschicht

19. MOSFETBandstrukturen

20. MOSFETTheoretische 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

21. MOSFETTheoretische Kennlinie • Kanalabschnürung • Im Bereich l alte Betrachtung gültig • Im zweiten Teil zweidimensionaler Feldverlauf

22. MOSFETTheoretische Kennlinie • Bisher hieß es: • Kurze Kanallängen sind ungünstig • Wie kommen wir zu kleinen Bauteilen ??? • Skalierung !!!

23. MOSFETMoore‘sches Gesetz • Gordon E. Moore 1965 Direktor bei „Fairchild Semiconductor“

24. MOSFETBauteile - Realisierungen VMOS intgr. CMOS UMOS HEXFET

25. MOSFETBauteile - Speicherchip „0“ „1“ Schreiben Entladung Löschen

26. MOSFETBauteile – MOS Schaltkreise

27. 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