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