Grundpraktikum

Gemeinsames

MOSFET Versuch-Nr.: E401

Ziel: Kennenlernen und Untersuchen der Funktionen und Anwendungsgebiete eines N-KanalMOSFET(N-Channel Enhancement Mode FET).

Für diesen Versuch ist die Arbeitsgruppe

NanoelektronikProf. Dr. Hermann Kohlstedt

verantwortlich. Sollten Sie Erweiterungs- oder Verbesserungsvorschläge für diesen Versuch haben,so melden Sie sich bitte bei dieser Arbeitsgruppe.

Hinweis:

Vorbereitungsaufgabe

Einige Versuchsteile sollen vor der Versuchsdurchführung d.h. währendder Versuchsvorbereitung durchgeführt werden. Solche Versuchsteile sinddurch eine Markierung, wie sie rechts dargestellt ist, gekennzeichnet.

Zu diesem Versuch ist ein Abschluss-Protokoll zu erstellen.

Stand: 3. März 2015

Inhaltsverzeichnis

Bezeichnungen 3

1 Grundlagen 4

1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Feldeekttransistor (FET), MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 Aufbau und Funktion eines n-Kanal MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.2 Qualitative Erklärung der Arbeitsbereiche von MOSFETs (hier NMOS-

FET, enhancement Mode) anhand des Kanalmodells . . . . . . . . . . . . 61.2.3 Arbeitspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2.4 MOSFET als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Versuchsdurchführung 14

2.1 Aufnahme der Steuerkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 MOSFET als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3 MOSFET als analoger Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3.1 Schaltungsaufbau und Wahl des Arbeitspunktes . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Abschluss-Protokoll 24

Literaturverzeichnis 24

2

Bezeichnungen

Bezeichnung Titel Einheit, ggf. Gröÿe

UDS Drain-Source-Spannung [V]

UGS Gate-Source-Spannung [V]

ID Drain-Strom (Kanalstrom) [A]

UTh Schwellenwertspannung [V]

U1 Eingangsspannung [V]

Ua Ausgangsspannung [V]

µn Beweglichkeit der Elektronen [m2/Vs]

µp Beweglichkeit der Löcher [m2/Vs]

λ Kanallängenmodulationsparameter

εr Dieelektrizitätszahl

ε0 Dielektrizitätskonstante 8, 85 · 10−12 As/(Vm)

K Kennlinienparameter [A/V]

dSiO2 Gateoxiddicke [m]

W Gate-Weite [m]

L Gate-Länge [m]

S, g, gDS Dierentieller Leitwert [S] Siemens oder [1/Ω]

3

1 Grundlagen

1.1 Einleitung

Die Bezeichnung Transistor leitet sich aus den beiden englischen Wörtern transfer und resistorab und bedeutet steuerbarer Widerstand. Dies liegt in der Funktion begründet, denn derTransistor wird als steuerbarer Widerstand (elektronischer Schalter) und als eine steuerbareelektronische Quelle (Verstärker) verwendet. Der Transistor stellt die Grundlage der moder-nen Mikroelektronik dar und ist das elementare Bauelement der Halbleitertechnologie. Kurz:moderne Unterhaltungselektronik und Informationstechnik wären ohne Transistoren gar nichtmöglich. Weitere Anwendungsgebiete existieren darüber hinaus auch in der Leistungselektronik(z.B. Power-MOSFET).

Man unterscheidet zwei grundlegende Typen von Transistoren: Den Bipolartransistor (BJT) undden Feldeekttransistor (FET). Das unterschiedliche Funktionsprinzip wird beim Ladungstrans-port deutlich, da beim BJT Ladungen beider Polaritäten (bipolar) an einem Stromuss beteiligtsind und beim FET hingegen nur unipolarer Ladungstransport stattndet. Dieser Versuch be-handelt die FETs und hierbei exemplarisch den MOSFET (metal oxide semiconducter field eecttransistor).

1.2 Feldeekttransistor (FET), MOSFET

Bereits 19251 meldete der Physiker Julius Edgar Lilienfeld ein Patent mit der Bezeichnung EineMethode und Vorrichtung zum steuern vom elektrischen Stroman und begründete damit dasFunktionsprinzip des Feldeekttransistors. Dieser basierte allerdings noch nicht auf Halbleiter-material und konnte zur damaligen Zeit nicht zufriedenstellend hergestellt werden. Erst mit demDurchbruch der Halbleitertechnologie und der Möglichkeit, hochreines Silizium und extrem sau-bere Grenzächen herzustellen und gezielt zu dotieren, konnte der FET Anfang der 1970er Jahreimmer mehr zum Einsatz kommen und fand in den 1980er Jahren endgültig zum technologischenDurchbruch2.

1Julius Edgar Lilienfeld, geb. 18. April 1882 in Lemberg, gest. 28. August 1963 in Charlotte Amalie (VirginIslands), Physiker.

2Bipolar-Transistoren, sowie FETs auf Germaniumbasis statt Silizium, gab es schon früher.

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E401: MOSFET

1.2.1 Aufbau und Funktion eines n-Kanal MOSFET

Die Herstellung eines MOSFET erfolgt in planarer Herstellungstechnologie basierend auf hoch-reinem Silizium, in welchem gezielt Fremdatome eingebracht werden (Dotieren, lat. dotare aus-statten). Häug werden hierbei in einem p-dotierten (mit Akzeptoren, z.B. Bor) Substrat zwein-dotierte Bereiche (mit Donatoren, z.B. Phosphor), zwischen denen ein Stromuss stattndensoll, in einem bestimmten Abstand zueinander erzeugt (n-Kanal MOSFET, Abb. 1.1). Findethingegen ein Stromuss zwischen zwei p-Gebieten in einem n-Substrat statt, so spricht man voneinem p-Kanal MOSFET. Die abschlieÿende Erstellung der Kontaktächen für den MOSFETerfolgt über Fotolithographie und diverse Ätzprozesse.

Abbildung 1.1: MOSFET im Sperrbereich

Für UGS = 0 (bzw. UGS ≤ der Schwellenspannung UTh) bendet sich der Transistor im Sperrzu-stand, da die Majoritätsladungsträger (Defektelektronen, bzw. Löcher) des p-Substrats einenStromuss zwischen den Anschlüssen Source (S) und Drain (D) verhindern. Unabhängig von derPolarität der Source-Drain-Spannung UDS ist immer eine pn-Diode in Sperrrichtung geschaltet.

Ziel ist es nun, über die Spannung UGS ein elektrisches Feld zwischen Gate (G) und Bulk in derArt zu erzeugen, dass die Minoritätsladungsträger (freie Elektronen) des p-Substrats in RichtungGate und die Majoritätsladungsträger in Richtung Bulk beschleunigt werden. Dies bewirkt unterdem Gateoxid eine Kompensation der Löcher (Defektelektronen) und schlieÿlich eine zunehmende

Abbildung 1.2: MOSFET im Widerstands- (links) und im Sättigungsbereich (rechts)

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E401: MOSFET

Anreicherung an freien Elektronen. Es ndet eine Ladungsträgerinversion statt und ein Strom-uss zwischen den n-Gebieten Source und Drain ist nun möglich. Aus einer Abfolge n-p-n ohneGatespannung wurde ein Gebiet mit n-n-n Leitung. Die elektrische Verbindung zwischen Sourceund Drain ist damit realisiert. Zwischen Gate und Bulk muss sich also bei angelegter SpannungUGS eine Kapazität ausbilden, die eine Ladungstrennung im Silizium bewirkt. Die sich bildendeAnreicherungsschicht an freien Elektronen wird als Kanal (channel ) bezeichnet (vgl. Abb. 1.2,rechts).

U1 Ua Zustand

1) U1 = UGS = 0V Uout = 5V HI

2) U1 = UGS > UTh Uout = 0V LOW

Tabelle 1.1: Schaltlogik der MOSFET Schaltung

Dieser MOSFET-Typ, der auch Gegenstand des Versuches ist, wird daher vollständig als n-KanalMOSFET (Anreicherungstyp)' bezeichnet (n-channel enhancement mode FET).

1.2.2 Qualitative Erklärung der Arbeitsbereiche von MOSFETs (hier

NMOSFET, enhancement Mode) anhand des Kanalmodells

Als Kanal wird hier die Inversionsschicht bezeichnet, die eine elektrisch leitende Verbindungzwischen den Diusionsbereichen Source und Drain aufgebaut werden kann.

1) SperrbereichBei [UGS ≤ UTh] (und damit auch bei [UGS = 0 V ], Selbstsperrung) kann kein Drain-StromID ieÿen, da sich zwischen dem Source- und dem Drain-Kontakt zwei pn-Übergänge undkein Kanal benden. Das gilt grundsätzlich bei jeder möglichen Einstellung von UDS.

2) Linearer (Widerstands) BereichEin positives Gate-Source-Potential verursacht eine Inuenzwirkung. Dadurch nimmtdie Löcherdichte ab und die Elektronendichte zu. Es kommt zur Ausbildung einerRaumladungszone (Löcherverarmung durch Elektronenüberschuss) direkt unter der Gate-Elektrode. Wird UGS genügend groÿ (gröÿer als die Schwellspannung UTh), so steigt in demRaumsegment unter dem Gate und somit zwischen den n-dotierten Source- und Drain-Bereichen die Elektronenkonzentration, bis sich schlieÿlich das ursprüngliche p-dotierteSilizium im Kanalbereich wie n-dotiert verhält (Einsetzen der starken Inversion, keine pn-Dioden mehr!). Man interpretiert das sprachlich so, das man sagt: es bildet sich als In-versionsschicht ein n-leitender Kanal zwischen Source und Drain. Wird jetzt die Spannung[UDS > 0 V ] angelegt, so ieÿt ein Drain-Strom ID.

Solange sich die Spannung UDS im Bereich bis UGS − UTh (also über Null, aber nochunterhalb der Schwellengrenze) bendet, steigt der Strom ID mit steigender Spannung UDSlinear an (entsprechend steigt die Elektronendichte im Kanal proportional). Das entsprichtdem Ohm'schen Gesetz und man darf den MOSFET in diesem Bereich als steuerbaren

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E401: MOSFET

Widerstand betrachten. Das gilt aber nur, solange für die gesamte Ausdehnungslänge desKanales die Spannung UGC (Gate-Kanal-Spannung) über UTh liegt.

In diesem Bereich ändern sich die Dimensionen (Länge und Breite) des Kanales nicht(Kanallängenmodulationsfaktor = 0), Stromänderungen können nur durch Änderung derLadungsträgerkonzentration im Kanal erklärt werden. Es ist oensichtlich, dass mit stei-gendem UGS die Anzahl der freien Elektronen im n-Kanal immer mehr zunimmt, der Kanalsich ausweitet und somit der Stromuss zwischen Source und Drain in Abhängigkeit vonUGS steigt. Dieser Drainstrom erzeugt jedoch ebenfalls einen Spannungsabfall entlangdes Kanals, welcher in Richtung Drain zunehmend positiv wird, so dass das E-Feld dortabgeschwächt und somit auch die Tiefe des Kanals in Richtung Drain immer geringer wird(Abb. 1.2, rechts). Dies hat zur Folge, dass der Drainstrom nicht endlos gesteigert werdenkann, sondern durch die Drainspannung UDS begrenzt wird, da diese ab einer bestimmtenSpannung den Kanal ganz unterdrückt. Dieser Grenzbereich wird als Sättigungsbereicheines Transistors bezeichnet.

3) SättigungsbereichErhöht man nun die Spannung UDS über den Wert von [UGS − UTh], so nimmt die La-dungsträgerkonzentration (Elektronendichte) im Kanal wieder ab. Dies passiert zuerst amDrain-Ende des Kanals. Unterschreitet die Spannung UGD (Gate-Drain-Spannung) amDrain-Ende den Wert UTh, so wird die Inversionsbedingung verletzt, man spricht voneiner Kanalabschnürung. Der vormals lineare Zusammenhang zwischen ID und UDS gehtverloren.

Man erkennt dies auch an der Stromkennlinie ID, die nun abknickt und langsam in dieSteigung Null einläuft (parallel zur x-Achse, wo UDS aufgetragen wird, siehe Ausgangs-kennlinienfeld). Da Source am Minuspol und Drain Pluspol der Laborquelle angeschlossenist und über die Gate-Elektrode ein geometrisches Flächenpotential angelegt ist, fällt dieSource-Drain-Spannung längs des Kanals ab. Dadurch verringert sich das entsprechendeortsabhängige Potential, je weiter man von Source in Richtung Drain wandert. Die imGate-Kanal abfallende Spannung verringert sich also ortsabhängig. Daraus folgt u.a., dassdie Spannung zwischen Source und Gate gröÿer als zwischen Gate und Drain ist. Man sagt,dass der Kanal mit zunehmender Spannung UDS zuerst auf der Drain-Seite abgeschnürtwird.

Damit wird praktisch die Kanalverbindung zwischen Source und Drain unterbrochen. Die-ser Vorgang wird auch durch den sogenannten Kanallängenmodulationsfaktor beschrieben.Konkret wandert mit zunehmender Spannung UDS das Kanalende in Source-Richtung. Da-durch baut sich zwischen dem Endpunkt des verkürzten Kanales und dem Drain-Bereicheine Raumladungszone auf. An Ende des Kanales verlassen die Elektronen den Kanal undwerden in diese Raumladungszone injiziert. Das zwischen Kanalende und Drain-Elektrodebestehende elektrische Feld sorgt für einen kontinuierlichen konstanten Stromuss ID. Die-ser Sättigungsstrom ID ieÿt somit durch die ursprüngliche zuvor vom Kanal belegte Raum-zone. Ladungsträger können also sehr wohl auch ohne ausgebildeten Kanal den nunmehrabgeschnürten Raumbereich durchqueren, allerdings bewirkt eine weitere Zunahme von

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E401: MOSFET

UDS keine (bzw. nur noch geringfügige) Zunahme von ID.

Man unterscheidet daher drei Betriebszustände des Transistors:

i) Sperrbereich: (UGS ≤ UTh, UDS ≥ 0)ID = 0 (1.1)

ii) Linearer- / Widerstandsbereich: (UGS > UTh, 0 ≤ UDS ≤ UGS − UTh)

ID = K

(UGS − UTh −

UDS

2

)UDS · (1 + λUDS) (1.2)

iii) Sättigungsbereich: (UGS > UTh, UDS > UGS − UTh)

ID =K

2(UGS − UTh)2 · (1 + λUDS) (1.3)

Der Faktor λ beschreibt die Stärke der Unterdrückung und somit die Längenänderung des Kanals.Er wird daher Kanallängenmodulationsfaktor genannt. In dem Parameter K sind materialspe-zische Daten wie die Ladungsträgerbeweglichkeit µn für Elektronen bzw. µp für Löcher, dieDielektrizitätszahlen ε0 und εr, die Breite des Bauelements W , die Dicke der Siliziumdioxid-schicht dSiO2 und die Kanallänge L enthalten (siehe Abb. 1.3):

K =µnε0εrdSiO2

·WL

(1.4)

Häug ndet sich in den Datenblättern von Transistoren eine graphische Darstellung deren Ver-haltens über sogenannte Kennlinienfelder, in denen der Zusammenhang zwischen den verschiede-nen Strömen und Spannungen dargestellt ist. Hierbei werden vier Kennlinienfelder unterschieden,

Abbildung 1.3: Geometrischer Aufbau eines MOSFET

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E401: MOSFET

Abbildung 1.4: MOSFET Steuerkennlinie

welche üblicherweise in den vier Quadranten eines kartesischen Koordinatensystems aufgetragenwerden. In diesem Vierquadrantenkennlinienfeld nden sich folgende Kennlinien: Eingangskenn-linienfeld, Stromsteuerkennlinienfeld, Ausgangskennlinienfeld und Spannungsrückwirkungskenn-linienfeld. Für die Betrachtung des MOSFETs konzentrieren wir uns auf das Stromsteuer- unddas Ausgangskennlinienfeld. Abbildung 1.4 und 1.5 zeigen das typische Steuer- und Ausgangs-kennlinienfeld des MOSFET. Mit ihnen lässt sich das Verhalten des MOSFET genau beschreiben.

Die Steuerkennlinie beschreibt die Abhängigkeit des Drainstromes von der Gate-Source-Spannung. Die Steilheit berechnet sich über die Ableitung der Tangente an einem Punkt derSteuerkennlinie des MOSFET und gibt Auskunft über die Empndlichkeit des Steuerverhaltens(Stromverstärkungsfaktor). Der dierenzielle Leitwert ist deniert durch

S = g =∂ID∂UGS

. (1.5)

Das Ausgangskennlinienfeld (Abb. 1.5) beschreibt die Abhängigkeit des Drainstromes von derDrain-Source-Spannung für bestimmte Gate-Source-Spannungswerte UGS . Gut zu erkennen sinddie verschiedenen Betriebsbereiche des MOSFET. Über eine Arbeitsgerade kann man den optima-len Arbeitspunkt (AP) bestimmen. Der dierentielle Ausgangsleitwert des MOSFET entsprichtder Steigung der Kennlinie im Ausgangskennlinienfeld und beschreibt die Widerstandsverände-rung (Verstärkung) des MOSFET. Die Steigung ist deniert durch

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E401: MOSFET

Abbildung 1.5: MOSFET Ausgangskennlinienfeld

gDS =∂ID∂UDS

. (1.6)

1.2.3 Arbeitspunkt

Im Betriebszustand des MOSFET als Verstärker ist die Bestimmung eines Arbeitspunktes übereinen DC-Oset (Vorspannung) erforderlich, d.h. eines Betriebspunktes, in dem sich der MOS-FET im Ruhezustand bendet, wenn kein Signal anliegt. Ziel ist es hierbei, den AP so zuwählen, dass ein zweckmäÿiger Bereich der linearen Ausgangskennlinie des MOSFET genutztwerden kann3. Dies kann z.B. bei einer Wechselstromverstärkung bedeuten, den AP möglichstmittig in den linearen Bereich der Ausgangskennlinie zu legen, damit sowohl der maximale po-sitive, wie auch der maximale negative Spannungsbereich des Eingangssignales verstärkt wird.Damit der DC-Oset nicht das zu verstärkende Signal beeinusst, wird ein geeigneter Koppel-kondensator verwendet. Der AP kann über den Schnittpunkt einer Arbeitsgeraden mit einer derKennlinien des Ausgangskennlinienfeldes des MOSFET bestimmt und anschlieÿend in der Schal-tung über einen Spannungsteiler realisiert werden. Die Bestimmung der Arbeitsgeraden erfolgtüber die Verbindung der Punkte UDS|ID=0 und ID|UDS=0 im Ausgangskennlinienfeld und ist for-mal deniert durch eine Geradengleichung. Die Berechnung der Arbeitsgeraden erfolgt über dieGleichung

ID =U2 − UDS

RL. (1.7)

3Je nach Anwendungsbereich werden verschiedene AP verwendet (A-, B-, AB-, C-Betrieb, hier: A-Betrieb).

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E401: MOSFET

Über diese Arbeitsgerade bestimmt sich der Arbeitspunkt wie in Abbildung 1.6.

Abbildung 1.6: Wahl des optimalen Arbeitspunktes im Ausgangskennlinienfeld

1.2.4 MOSFET als Schalter

Aus der Vorlesung Informatik I Digitale Systeme ist die Realisierung von logischen Funktio-nen in CMOS-Technologie (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) bekannt. über dieKombination von n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat lassensich alle logischen Gatter erzeugen (NAND, NOR, NOT, etc.) und diese wiederum bilden dieGrundlage für moderne Mikroprozessoren und andere integrierte Schaltkreise (IC). Bekanntist ebenfalls, dass mit einem n-Kanal-MOSFET in der Regel eine logische 0 und mit einemp-Kanal-MOSFET eine logische 1 umgesetzt wird.4

In diesem Versuch wird das Schaltverhalten des n-Kanal-MOSFET analysiert. Dieser kann imWiderstandsbereich als ein geschlossener Schalter und im Sperrbereich als ein geöneter Schalterbetrachtet werden. Auf diese Weise lassen sich nach Abb. 1.7 über die Versorgungsspannung V1des MOSFET die Logikpegel HI und LOW realisieren.

Für eine hinreichend kleine Spannung UGS bendet sich der MOSFET im Sperrzustand (Schalteroen) und die maximale Ausgangsspannung Va liegt am Ausgang an. Mit zunehmender Spannung

4Vgl. Skriptum Systemorientierte Informatik - Digitale Systeme I, Prof. Dr. Manfred Schimmler.

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Abbildung 1.7: MOSFET als Schalter

UGS wird der MOSFET leitend (Schalter geschlossen) und die Versorgungsspannung wird zurMasse durchgeschaltet, so dass die Ausgangsspannung null ist. Es ergibt sich somit die Schaltlogikaus Tabelle 1.2.

U1 Ua Zustand

1) U1 = UGS = 0V Uout = 5V HI

2) U1 = UGS > UTh Uout = 0V LOW

Tabelle 1.2: Wichtige Spannungen und Ströme bei einem MOSFET

Die gemeinsame Darstellung der Spannungsverläufe von U1 und Ua des MOSFET auf einemOszilloskop ergibt den Signalverlauf aus Abb. 1.8.

Der Schaltvorgang und auch die Schaltspannung sind in dieser Darstellung sehr gut zu erkennen.Für die Überschreitung der Schwellenspannung ergibt sich der Schaltvorgang und an demAusgang (Rot) ndet sich repräsentativ für die binären Zahlen 1 und 0 entweder dieBetriebsspannung von 5 V oder 0 V.

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E401: MOSFET

Abbildung 1.8: Signalverläufe für Ein- und Ausgang des MOSFET als Schalter

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2 Versuchsdurchführung

In den folgenden Versuchen soll der theoretische Inhalt angewendet und geprüft werden. Zunächstnehmen Sie die Steuerkennlinie des MOSFET auf. Anschlieÿend soll der MOSFET als SchalterVerwendung nden, danach bauen Sie einen einfachen Analogverstärker auf.

Warnung: Damit der Transistor nicht zerstört wird, befolgen Sie bitte die nachfolgenden Hin-weise zur Durchführung!

• Um die Bauteile vor Schädigungen zu schützen, sind vor jedem Auf- und Abbau einerSchaltung die Spannungsquelle und der Funktionsgenerator auszuschalten.

• Um unnötige Fehlerquellen zu vermeiden, benutzen Sie für den Schaltungsaufbau nachMöglichkeit die Kurzschlussstecker anstatt der Kabel.

• Bevor Sie die Spannungsquelle mit der Schaltung verbinden, stellen Sie die geforderte Span-nung direkt mit dem Multimeter an der Spannungsquelle ein (höhere Genauigkeit). Danachist die maximale Strombegrenzung einzustellen, ebenfalls mit dem Multimeter direktan der Spannungsquelle. Diese beträgt bei jedem Versuch Imax = 350 mA.

• Es ist darauf zu achten, dass bei dem verwendeten Funktionsgenerator die eingestelltenSpannungswerte (z.B. Vpp) messtechnisch auch realisiert werden. Dazu ist es sinnvoll, dieeingestellten Werte mit dem Oszilloskop zu kontrollieren und ggf. am Generator zu adap-tieren. Übereinstimmung zwischen den vom Funktionsgenerator angezeigten SOLL-Wertenmit den realen IST-Werten ergibt sich bei der Agilent 335XX Serie nur dann, wenn die Aus-gangstreiber auf High-Z (also hochohmig) um-/eingestellt worden sind. Dies kann durchdas Setup-Menü des Generators nach dem Power-On des Gerätes realisiert werden.

• Übertragen Sie alle Skizzen direkt in dieses Protokoll und führen Sie weiterführende Rech-nungen zu Hause durch.

Verwendete Geräte:

• 1 x Leybold-Rastersteckplatte

• n-Kanal-MOSFET 2N7000

• 1 x Spannungsquelle

• 1 x Funktionsgenerator Agilent 335xxx-Serie

• 1 x Oszilloskop Tektronix 2213 oder Tektronix TDS 2002x

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E401: MOSFET

• 1 x Digitalmultimeter Fluke 175

• Widerstände: 2 x 4,7 kΩ, 1 x 1 Ω

• Kondensator: 1 x 100 nF

• 1 x 10-Gang-Potentiometer (verstellbarer Widerstand) mit Rmax = 10 kΩ

2.1 Aufnahme der Steuerkennlinie

Bauen Sie die in Abb. 2.1 gezeigte Schaltung mit Rm = 1Ω auf.

Abbildung 2.1: Messaufbau für die Steuerkennlinie des MOSFET

Verbinden Sie das Signal des Funktionsgenerators mit dem Oszilloskop (Kanal 1) und stellenSie eine Dreieckspannung mit Vpp = 2 V und f = 1 kHz ein (Null-Linie mittig auf Bildschirm).Wählen Sie nun den Oset des Funktionsgenerators so, dass der untere Signal-Peak bei 0 V liegt(vgl. Abb. 2.2). Achten Sie darauf, dass das Oszilloskop dabei auf DC eingestellt ist. SchaltenSie nun die Spannungsversorgung V2 = 5 V ein. Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass Siebeide Kanäle sehen können, mit Ua auf Kanal 2. Die Null-Linie des zweiten Kanals soll dabeiam unteren Ende des Bildschirms liegen. Über die Amplitude der Dreieckspannung können Sienun den Drainstrom des MOSFET steuern. Steigern Sie die Amplitude so weit, bis Sie unge-fähr den Verlauf von Abb. 2.3 erhalten (Hinweis: Sowohl die Amplitude als auch der Oset vonVpp des Funktionsgenerators beeinussen die Darstellung von UTh. Regeln Sie daher den Osetam Signalgenerator so nach, dass in dem gewünschten Signalbild am Oszilloskop die unterenSignal-Peaks wieder auf 0 V liegen. Passiert dies NICHT, so wird die resultierende Stromsteu-erkennlinie - wie in Abb. 2.4 gezeigt - nicht im Ursprung des Koordinatensystems beginnen,

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E401: MOSFET

Abbildung 2.2: Signalverlauf der Dreiecksspannung (Kanal 1)

sondern mit einer Rechts-Verschiebung auf der x-Achse im Betrag des von Null abweichendenOsets. Bestimmt man daraus dann UTh, so ist dieser Wert dann um den von Null verschobenemOsetwert verfälscht!).

Schalten Sie nun das Oszilloskop in den XY-Modus. Verändern Sie die Skalierung in der Art,dass Sie eine Stromsteuerkennlinie wie in Abb. 2.4 erhalten.

Abbildung 2.3: Darstellung von Kanal 1 und Kanal 2

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E401: MOSFET

Abbildung 2.4: Stromsteuerkennlinie.

Aufgaben, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:

a) Zeichnen Sie die Steuerkennlinie in das Diagramm in Abb. 2.5 und beschriften Sie dieAchsen. Bestimmen Sie die Schwellenspannung UTh.

Abbildung 2.5: Steuerkennlinie.

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E401: MOSFET

Aufgaben, die erst im Rahmen der Protokollerstellung bearbeitet werden müssen:

b) Bestimmen Sie den dierenziellen Leitwert des MOSFET für ID ≈ 200mA.

c) Berechnen Sie die Ladungsträgerbeweglichkeit µn an dem in Aufgabenteil b) bestimmtenPunkt mit W = 900 µm, L = 2 µm, dSiO2 = 9 nm und εr = 3, 9 (SiO2). Verwenden Siedafür die Näherung

ID =K

2· (UGS − UTh)2 . (2.1)

2.2 MOSFET als Schalter

Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 1.7 auf. Erzeugen Sie mit dem Funktionsgenerator ein Drei-ecksignal mit f = 1 kHz und Upp = 5 V (pp bedeutet peak to peak) am Eingang U1 = UGS.Weiterhin gelte U2 = 5 V und RL = 4, 7 kΩ.

Aufgaben, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:

a) Stellen Sie ungefähr den Verlauf aus Abb. 1.8 nach und übertragen Sie diesen in dasDiagramm in Abb. 2.6. Passen Sie über den DC-Oset des Oszilloskops beide Signale an.

Abbildung 2.6: Signalverläufe für Ein- und Ausgang des MOSFET als Schalter.

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E401: MOSFET

b) Bezeichnen Sie die Achsen und bestimmen Sie die Schaltspannung.

Ergebnisse und Antworten

c) Welche logische Funktion (welches Gatter) wird hierdurch abgebildet?

Ergebnisse und Antworten

d) Schalten Sie nun in den XY-Modus des Oszilloskops (Taste Display, Format XY) undübertragen Sie den Verlauf in das Diagramm in Abb. 2.7. Beschriften Sie die Achsen undüberlegen Sie, welche zeitliche Einteilung die X-Achse haben muss. Bestimmen Sie dieSchaltzeit für den Transistor (Eingangsspannungsbereich, in dem sich die Ausgangsspan-nung um ca. 90 % verändert hat). Verändern Sie ggf. die Skalierung, damit Sie die Schaltzeitbesser ablesen können.

Ergebnisse und Antworten

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E401: MOSFET

Abbildung 2.7: Vorgegebenes Raster zum Eintragen der gewonnenen Messdaten ausAufgabenstellung d).

2.3 MOSFET als analoger Verstärker

In der alltäglichen analogen Anwendung ist Ihnen möglicherweise die Verwendung von MOS-FETs als Audioverstärker aus dem HiFi-Audio Bereich bekannt. Häug wird mit Full-MOSFET Endstufen geworben und Bezeichnungen wie Class-A-, Class-B-, Class-AB-, Class-C-und Class-D-Verstärker nden sich in der genaueren Beschreibung. Aus dem Abschnitt 1.2.3wissen Sie, dass diese Bezeichnungen mit dem Arbeitspunkt des MOSFET zu tun haben.

In diesem Versuch soll lediglich der Class-A-Betrieb veranschaulicht werden. Dieser ist sehr ein-fach und kostengünstig umzusetzen und besitzt einen geringen Klirrfaktor. Der Wirkungsgradhingegen ist sehr schlecht und es ist permanent ein hoher Ruhestrom vorhanden (DC-Oset).

2.3.1 Schaltungsaufbau und Wahl des Arbeitspunktes

Bauen Sie zunächst die Schaltung aus Abb. 2.8 auf. Es gilt: C = 100 nF und RL = R1 = 4, 7 kΩ.U1 sei zunächst ohne Signal und die Spannungsversorgung U2 = 5 V ausgeschaltet.

Aufgaben zum Arbeitspunkt, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:

a) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade mit den beiden Punkten ID,max für UDS = 0 V (MOSFETvoll leitend) und UDS,max für ID = 0 A (MOSFET voll gesperrt) in das Ausgangskennlini-enfeld Abb. 2.9 ein und nähern Sie den Arbeitspunkt zeichnerisch an.

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E401: MOSFET

Abbildung 2.8: Analoge Verstärkergrundschaltung MOSFET.

Abbildung 2.9: Ausgangskennlinienfeld zur Bestimmung des Arbeitspunktes.

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E401: MOSFET

b) Wie würde sich die Arbeitsgerade verändern, wenn RL gröÿer bzw. kleiner gewählt wird?

Ergebnisse und Antworten

c) Kennzeichnen Sie im Ausgangskennlinienfeld (Abb. 2.9) den linearen Bereich und den Sät-tigungsbereich.

Aufgaben zum Verstärker, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:

a) Dimensionieren Sie R2 über die Spannungsteilerformel mit UGS aus Abb. 2.9. Stellen Siediesen Wert an dem 10-Gang-Poti mit dem Multimeter ein.

UGS =R2

R2 +R1·U2 (2.2)

b) Erzeugen Sie eine Sinusspannung an V1 mit f = 1 kHz und Vpp = 100 mV. Schalten Sie dieSpannungsversorgung U2 = 5 V ein. Stellen Sie beide Kanäle U1 und Ua auf dem Oszilloskopdar (Null-Linie mittig) und ermitteln Sie den Verstärkungsfaktor A = Ua,pp/U1,pp.

Ergebnisse und Antworten

c) Wie verhält sich Va bei Variation des AP?

Ergebnisse und Antworten

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E401: MOSFET

d) Verändern Sie den AP über das Poti in der Art, dass Sie eine maximale und verzerrungs-freie Verstärkung erhalten. Übertragen Sie das Bild in das Diagramm in Abb. 2.10 undkennzeichnen Sie die beiden Spannungen und die Achsen. Ermitteln Sie aus der Abbildungdie Spannungen U1,pp und Ua,pp und berechnen Sie den maximalen Verstärkungsfaktor.

Abbildung 2.10: Vorgegebenes Raster zum Eintragen der gewonnenen Messdaten ausAufgabenstellung d).

Ergebnisse und Antworten

e) Woher kommt der Unterschied zwischen dem AP aus dem Ausgangskennlinienfeld und demtatsächlichen optimalen AP aus Aufgabenteil d)?

Ergebnisse und Antworten

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3 Abschluss-Protokoll

Hinweis: Das anzufertigende Abschluss-Protokoll beinhaltet neben einer Liste der ver-wendeten Geräte auch eine Beschreibung des durchgeführten Versuchs sowie des Ver-suchsaufbaus. Die Beschreibung soll einem auÿenstehenden Leser das Vorgehen währenddes Experiments aufzeigen und ggf. die Möglichkeit der Reproduktion bieten. Des Weite-ren ist darauf zu achten, dass Messergebnisse und Zeichnungen/Diagramme beschriebenund diskutiert werden müssen. Im Mittelpunkt der Diskussion steht das Herausstellenvon Ergebnissen, die aus den Messwerten und/oder den Diagrammen abgeleitet werdenkönnen.

Der genaue Inhalt des jeweiligen Themas muss in Ihrem Protokoll nicht komplett mit aufgeführtwerden. Ein kurze Erklärung des Themas sowie eine genaue Erläuterung zur Vorgehensweise undDurchführung sind jedoch notwendig. Bitte beachten Sie weiterhin:

• Falls gefordert, benutzen Sie die Vorlage für die Anfertigung des Protokolls mit den dor-tigen Formatierungen. Ist keine Vorlage gegeben, dann fertigen Sie ein Protokoll an mit:Schriftgröÿe 12, Blocksatz, 5 cm Korrekturrand an rechter Seite.

• Achten Sie immer auf die Beschriftung aller Abbildungen und Tabellen.

• Achten Sie auch auf eine korrekte Inhaltsangabe und auf evtl. Literaturangaben!

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Literaturverzeichnis

[1] Hartl, H.: Elektronische Schaltungstechnik". Pearson Studium Nr. 7321.(Thema/Bemerkungen: Bauelemente & Schaltungen)

[2] Cordes, K.-H.: Integrierte Schaltungen". Pearson Studium Nr. 4011.(Thema/Bemerkungen: Bauelemente & Schaltungen)

[3] Tietze & Schenk: Halbleiterschaltungstechnik". Springer Verlag 2002.(Thema/Bemerkungen: Standardwerk für Schaltungen)

[4] Sze, S.M.: Physics of Semiconductor Devices". Wiley, 1981.(Thema/Bemerkungen: Standardwerk für Bauelemente)

[5] Ibach & Lüth: Festkörperphysik".(Thema/Bemerkungen: Grundlagen zur Festkörperphysik)

[6] Bergmann-Schäfer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: Festkörper". De Gruyter,1992.(Thema/Bemerkungen: Grundlagen zur Festkörperphysik)

[7] Paul, R.: Halbleiterphysik".(Thema/Bemerkungen: Grundlagen, sehr ausführlich)

[8] Paul, R: Feldeekttransistoren".(Thema/Bemerkungen: MOSFETs, sehr ausführlich)

[9] Göbel, H.: Einführung in die Halbleiterschaltungstechnik". Springer 2008.(Thema/Bemerkungen: Smile-Simulation anschauliche applets, sehr ausführliches Lehr- undÜbungsbuch zu elektronischen Bauelementen und Schaltungen)

[9] Kerns & Irwin: Essentials of electrical and computer engineering". Pearson 2004.

[10] Fairchild Seminconductor Corp., Datenblatt 2N7000.

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