Versuch EL-V4: Felde�ekttransistoren

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 2

2 Grundlagen 3

2.1 MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Übersicht der verschiedenen FET-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.4 Kleinsignal-Ersatzschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5 Stationäres Gleichstromverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Messtechnik und Messaufbau 7

3.1 Source Monitor Unit (SMU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Vorbereitungsaufgaben 9

5 Messaufgaben 10

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1 Einleitung

Integrierte Schaltungen in Silizium-Planartechnologie sind die dominierenden Bausteineder modernen Elektronik. Ihr wichtigster Bestandteil ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Felde�ekttransistor). Heutige Prozessoren und Halbleiterspeicher bestehenaus vielen Millionen MOSFETs und sind in der Komplementär-MOS-Technik (CMOS)aufgebaut.

Ein FET ist ein aktives Bauelement mit drei Anschlüssen, die mit Gate (G), Sour-ce (S) und Drain (D) bezeichnet werden. Im Unterschied zu den bipolaren Transistorenhandelt es sich um ein unipolares Bauelement und somit wird die Funktion nur vonMajoritätsträgern bestimmt. Des weiteren �ndet eine leistungslose Steuerung statt, wo-durch stromlose Messungen ermöglicht werden. Neben demMOSFET, bei dem das Ga-te durch ein isolierendes Oxid vom zu steuernden Kanal getrennt ist, gibt es den JFET(Sperrschicht-FET), der sich durch einen in Sperrrichtung betriebenen pn-Übergang zwi-schen Gate und Kanal auszeichnet. Eine weitere Variation des JFETs ist der MESFET(Metall-Halbleiter-Felde�ekttransistor), bei dem an Stelle des pn-Übergangs ein Schottky-Übergang Verwendung �ndet.

Im vorliegenden Versuch sollen die Eigenschaften von Felde�ekttransistoren unter-sucht werden. Dazu sind die Gleichstromkennlinien von FETs aufzunehmen und wichtigeKenngröÿen der Transistoren zu bestimmen. Als Versuchsobjekte dienen ein MOSFETund ein JFET.

Zur Durchführung des Versuchs sind Kenntnisse über die Funktionsweise der Feld-e�ekttransistoren nötig. Diese sind aus der Vorlesung �Elektronische Bauelemente� be-kannt. Im Folgenden sind nochmals einige Grundlagen zusammengestellt [Hof98].

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2 Grundlagen

2.1 MOSFET

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines n-Kanal MOSFETs

Die Funktion des FETs beruht auf der leistungslosen Steuerung des Kanals zwischenSource- und Draingebiet. Dazu ist der Kanalbereich eines MOSFETs mit einer Oxid-schicht und einem darüber liegenden Gate bedeckt. Die Oxidschicht dient der elektri-schen Isolation zwischen dem Kanal und dem Gate und die Steuerung erfolgt durchAnlegen einer Spannung UGS zwischen Gate und Source. Da als Halbleiter üblicherweiseSilizium verwendet wird, ist mit dem natürlichen Siliziumdioxid (SiO2) ein guter Isolatorverfügbar.

In Abbildung 1 ist der schematische Aufbau eines n-Kanal MOSFETs dargestellt.Ausgehend von einem p-dotierten Substrat folgen eindi�undierte n-dotierte Gebiete fürdie Source- und Drain-Kontakte. Zusätzlich zu den Source-, Drain- und Gate-Kontaktenexistiert ein Bulk-Kontakt, der die Kontaktierung des Substrats ermöglicht. Als Gate-Material wird in der modernen Prozessierung Polysilizium verwendet. Grundsätzlich istein FET ein symmetrisches Bauelement (Source- und Drain-Kontakt können vertauschtwerden). Dies gilt allerdings nur eingeschränkt, da z.B. bei diskreten FETs üblicherwei-se der Bulk-Anschluss mit dem Source-Kontakt verbunden wird. Die Leitfähigkeit desKanals ist sowohl durch die Beweglichkeit als auch über die Dotierkonzentration desSubstratmaterials vorgegeben. Abhängig von der Dotierkonzentration handelt es sichum einen selbstleitenden oder selbstsperrenden MOSFET. Wobei sich der selbstleitendeTyp durch einen Drainstrom�uss bei UGS = 0 auszeichnet und der selbstsperrende Typunter dieser Voraussetzung keinen Drainstrom�uss ermöglicht.

Im Folgenden wird ein n-Kanal FET betrachtet. Das Anlegen einer negativen Gate-spannung führt zur vollständigen Verarmung von Elektronen im Kanal und somit zur

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Unterdrückung des Drainstroms. Durch eine positive Gatespannung ist es möglich, Mi-noritätsladungsträger (Elektronen im p-dotierten Substrat) im Kanal anzureichern undso die Voraussetzung für einen Strom�uss ID zwischen Drain und Source zu scha�en. DieAnreicherung von Minoritätsladungsträgern im Kanalgebiet wird als Inversionsschichtbezeichnet. Zur Ausbildung einer Inversionsschicht muss die Gatespannung UGS gröÿerals die Schwellenspannung Uth des Transistors sein. Durch Anlegen einer Spannung zwi-schen Drain und Source entsteht im Kanal ein elektrisches Feld, das für UGS > Uth einenDriftstrom verursacht. Mit steigender Gatespannung steigt die Ladungsträgerdichte inder Inversionsschicht und somit der Drainstrom (siehe Abbildung 1). Eine Änderung derGatespannung um ∆UGS verursacht eine Veränderung des Draintromes um ∆ID und eineentsprechende Spannungsänderung ∆UL = ∆ID · ∆RL an einem Lastwiderstand RL.

2.2 JFET

Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines n-Kanal JFETs

Im Gegensatz zum MOSFET, bei dem das Gate über eine Oxidschicht vom Kanal iso-liert ist, be�ndet sich beim JFET ein pn-Übergang zwischen Gate (p-Gebiet) und Kanal(n-Gebiet), der in Sperrrichtung betrieben wird. Dadurch bildet sich eine Sperrschicht(Raumladungszone) zwischen Gate und Kanal aus, die dem Transistor ihren Namen gibtund eine leistungslose Steuerung gewährleistet. Der schematische Aufbau eines n-KanalJFET ist in Abbildung 2 dargestellt.

Mit Hilfe einer zwischen Gate und Source angelegten Steuerspannung lässt sich dieBreite der Sperrschicht verändern und so die Leitfähigkeit des Kanals, von gut leitendbis abgeschnürt, variieren. Die Sperrschicht zeigt einen trichterförmigen, zum Drainkon-takt hin enger werdenden Verlauf im Kanal. Dies ist auf die beim n-Typ JFET gröÿereSpannungsdi�erenz zwischen Gate- und Drain-Kontakt UGD = UGS + UDS im Vergleichzur Gate-Source-Spannung UGS zurückzuführen.

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2.3 Übersicht der verschiedenen FET-Typen

Sowohl der MOSFET als auch der JFET sind in n- und p-Ausführung erhältlich. MOS-FETs unterscheiden sich zusätzlich noch im Leitverhalten bei UGS = 0 als selbstsperrendund selbstleitend. Dies entfällt beim JFET, da dort aufgrund des nötigen Sperrbetriebsder pn-Diode zwischen Gate und Kanal je nach Ladungsträgertyp positive oder negativeSpannungen ausscheiden. Damit ergeben sich insgesamt 6 unterschiedliche Ausführun-gen, die als Überblick in Abbildung 3 gezeigt sind.

Abbildung 3: Übersicht der FET-Typen

2.4 Kleinsignal-Ersatzschaltbild

Abbildung 4: Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines FETs

In Abbildung 4 ist ein vereinfachtes Kleinsignal-Ersatzschaltbild mit Bulk-Source-Kurzschluss dargestellt.

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2.5 Stationäres Gleichstromverhalten

Im Folgenden werden das Ausgangskennlinienfeld eines n-Kanal FETs und die zugehö-rigen Strom-Spannungs-Gleichungen betrachtet.

Abbildung 5: Ausgangskennlinienfeld eines n-Kanal FETs

Ein Strom�uss ID verursacht einen Spannungsabfall längs des Kanals und somit einortsabhängiges Potential. Für eine konstante Gate-Source-Spannung UGS = const steigtID zunächst linear mit UDS und sättigt mit zunehmender UDS. In Abbildung 5 ist derAusgangskennlinienverlauf dargestellt. Der lineare Bereich wird als ohmscher Bereich be-zeichnet und die anschlieÿende Drain-Source-Stromsättigung als Abschnürbereich. DieseArbeitsbereiche sind durch eine Grenzspannung UDS;sat = UGS − Uth voneinander ge-trennt. Die Stromsättigung für UDS ≥ UDS;sat ist auf die Abschnürung des Kanalszurückzuführen, die einen weiteren Stromanstieg nahezu unterbindet. Ein leichter An-stieg des Stroms ID mit zunehmender UDS wird auch im abgeschnürten Bereich derKennlinie gemessen und als Kanallängenmodulation λ bezeichnet.Im ohmschen Bereich, d.h. für UDS < UGS − Uth, gilt:

ID = k[(UGS − Uth)UDS − 1

2U2DS] · (1 + λUDS)

wobei für den Übertragungsfaktor k gilt:

k = µnεoxtox

· WL

= µn · Cox ·1

L2

Im Abschnürbereich, d.h. für UDS > UGS − Uth, gilt:

ID =k

2(UGS − Uth)2 · (1 + λUDS)

Für die Herleitung dieser Gleichungen sei auf die Literatur [Sze81] [Tie99] verwiesen.

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3 Messtechnik und Messaufbau

Im vorliegenden Versuch sollen wesentliche Eigenschaften und Kenngröÿen unterschied-licher FETs untersucht werden. Dazu werden systematisch ein n-Kanal J-FET (BF245C)und ein selbstsperrender n-Kanal MOSFET (BS170) hinsichtlich ihres stationären Gleich-stromverhaltens charakterisiert.

Zur Durchführung der elektrischen Messungen an den FETs steht eine moderne 2-Kanal-SMU (Source Monitor Unit) von Agilent Technologies bereit (E5262A - 2 ChannelHigh Speed Medium Power Source Monitor Unit).

3.1 Source Monitor Unit (SMU)

Eine Source Monitor Unit (bzw. Source Measurement Unit) ist ein präzises program-mierbares Netzteil, das eine Spannungs- bzw. Stromversorgung bei gleichzeitiger Mes-sung des resultierenden Stroms bzw. der resultierenden Spannung realisiert. Dabei bieteteine SMU im Gegensatz zu einem herkömmlichen Netzteil eine hohe Emp�ndlichkeit undPräzision, Spannungsüberwachung und den 4-Quadranten-Betrieb, der sowohl bipolareSpannungen als auch Stromsenken integriert. Die Programmierfunktion einer SMU unddie Kommunikation mit einem PC erlauben es automatisierte Strom- und Spannungs-Sweeps zur Bestimmung der I-V-Charakteristika von Messobjekten aufzunehmen. SMUssind in der Forschung und Industrie weit verbreitet und kommen in vielen automatisier-ten Prüfsystemen insbesondere in der Halbleitertechnologie (Forschung, Entwicklung,Produktion) zum Einsatz.

Im Folgenden werden die wesentlichen Eigenschaften einer SMU erläutert.

� Source oder Force: Programmierbare Spannungs- bzw. Stromversorgung; max.einige zehn bis hundert Volt bzw. wenige Ampere

� Monitor oderMeasure: Präzises Multimeter-Messsystem für Spannung und Strom

� Resolution: Emp�ndlichkeit, d.h. kleinste detektierbare Veränderung am Ver-sorungsausgang oder Messeingang; typisch 1 mV bzw. 1 µA oder weniger

� Accuracy: Präzision, d.h. max. Unsicherheit der Quelle oder Messung; typisch0,1 % oder weniger des Ausgangspegels bzw. des Messwerts

� 4-Quadranten-Betrieb: 4-Quadranten-Ausgänge ermöglichen die Nutzung so-wohl als Quelle wie auch als Senke (z.B. zur Untersuchung geladener Bauelementeoder Akkus)

positive Spannung und positiver Strom (1. Quadrant - Quelle)negative Spannung und positiver Strom (2. Quadrant - Senke)negative Spannung und negativer Strom (3. Quadrant - Quelle)positive Spannung und negativer Strom (4. Quadrant - Senke)

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� Bipolar: Der 4-Quadranten-Ausgang erlaubt einen kontinuierlichen Sweep vonnegativen zu positiven Ausgangsspannungen bzw. Strömen. Durch diesen bipolarenBetrieb lassen sich z.B. Durchlass- und Sperreigenschaften aktiver Bauelementecharakterisieren (I-V-Kennlinien von Dioden und Transistoren).

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4 Vorbereitungsaufgaben

Vorbereitungsaufgabe 4.1:

Zeichnen Sie die Schaltsymbole für alle Typen von MOSFETs und JFETs (n-Kanal, p-Kanal, ggf. Anreicherungstyp, Verarmungstyp). Skizzieren Sie zu allen Typen die Steuer-und Ausgangskennlinien.

Vorbereitungsaufgabe 4.2:

Skizzieren Sie die Kanalausbildung eines selbstsperrenden n-Kanal MOSFETs für fol-gende Arbeitsbereiche: a) Sperrung, b) ohmscher Bereich, c) Abschnürbereich. ZeichnenSie dazu den Querschnitt des Transistors einschlieÿlich der Raumladungszone und allerAnschlüsse. Geben Sie auÿerdem für jeden Bereich qualitativ die Spannungen UDS undUGS an.

Vorbereitungsaufgabe 4.3:

Beschreiben Sie die technologischen und geometrischen Gröÿen von denen der Übertra-gungsfaktor k eines FETs abhängig ist.

Vorbereitungsaufgabe 4.4:

Warum geschieht die Steuerung beim MOSFET nahezu leistungslos? Was ist bezüglicheines JFETs für eine leistungslose Steuerung zu berücksichtigen?

Vorbereitungsaufgabe 4.5:

Leiten Sie aus den Strom-Spannungs-Gleichungen die Steilheit gm und den Ausgangslei-twert gDS sowohl für den ohmschen Bereich als auch für den Abschnürbereich ab. Wielassen sich gm, gDS und ID;sat mit technologischen Mitteln erhöhen?

Vorbereitungsaufgabe 4.6:

Erläutern Sie stichpunktartig die Ersatzschaltbildelemente in Abbildung 4.

Vorbereitungsaufgabe 4.7:

Was versteht man unter Kanallängenmodulation, und wodurch wird sie verursacht?

Vorbereitungsaufgabe 4.8:

Mit welchen Extraktionsverfahren lässt sich die Schwellenspannung aus der Steuerkenn-linie bestimmen?

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5 Messaufgaben

Machen Sie sich zunächst mit dem Messgerät (SMU E5262A) vertraut, und informierenSie sich anhand des Spezi�kationsblatts über die konkreten Kenngröÿen (Emp�ndlich-keit, Präzision etc.) der SMU.Überlegen Sie sich für jeden Aufgabenteil, in welchem Strom-/ Spannungsbereich Ihre

Messung durchgeführt werden soll. Orientieren Sie sich an den bereitliegenden Daten-blättern der Bauelemente, und notieren Sie sich für jedes Bauelement die Maximalwertevon UGS, UDS und ID. Stellen Sie stets eine Strombegrenzung IG;max = 100 nA zumSchutz der Bauelemente ein.

Messaufgabe 5.1: Eingangskennlinie

Nehmen Sie die Eingangskennlinien IG = f(UGS) der zwei FETs auf und erklären Siederen Verlauf.

Messaufgabe 5.2: Steuerkennlinie

a) Nehmen Sie die Steuerkennlinien der FETs für UDS = 5 V sowie zusätzlich beimn-Kanal MOSFET für UDS = 1 V auf.

b) Erklären Sie die erkennbaren Unterschiede der gemessenen Steuerkennlinien.

c) Wählen Sie für jeden FET eine geeignete Kennlinie aus und ermitteln Sie darandie Schwellenspannung Uth beziehungsweise die Pinch-O�-Spannung UPO.

d) Bestimmen Sie im ohmschen Bereich aller Steuerkennlinien die Steilheit gm.

Messaufgabe 5.3: Ausgangskennlinie

a) Nehmen Sie mit folgenden drei Gate-Source-Spannungen die zugehörigen Aus-gangskennlinien der Transistoren auf.

JFET: UGS = −2 V;−3 V;−4 V MOSFET: UGS = 2, 6 V; 2, 8 V; 3 V

Begründen Sie anhand der in 5.2 ermittelten Schwellen- beziehungsweise Pinch-O�-Spannung, dass die vorgegebenen Gate-Source-Spannungen geeignet sind.

b) Berechnen Sie für jede Ausgangskennlinie die Sättigungsspannung UDS;sat mit Hilfeder ermittelten Schwellen- beziehungsweise Pinch-O�-Spannung und zeichnen Siediese im entsprechenden Ausgangskennlinienfeld ein.

c) Wählen Sie für jeden FET die Ausgangskennlinie mit dem gröÿten UGS aus undermitteln für diese den Ausgangsleitwert gd im ohmschen Bereich sowie im Sätti-gungsbereich.

d) Bestimmen Sie die Kanallängenmodulation λ für die vorangehende Ausgangskenn-linie der beiden FETs.

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Messaufgabe 5.4: Elektronenbeweglichkeit

Berechnen Sie aus der Steilheit gm des n-Kanal MOSFET im ohmschen Bereich fürUDS = 1 V (siehe Messaufgabe 5.1) die Elektronenbeweglichkeit µn.Gehen Sie davon aus, dass der n-Kanal MOSFET ein Längen- zu Weitenverhältnis

von LW

= 1, 85 ·10−4 sowie ein Gateoxid aus Siliziumdioxid (SiO2) besitzt. Die Oxiddickebeträgt dox = 40 nm. Siliziumdioxid besitzt eine relative Permittivität von εr;SiO2 = 3,9.

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Literatur

[Hof98] Hoffmann, K.: VLSI-Entwurf, Modelle und Schaltungen. Oldenbourg VerlagMünchen Wien, 1998

[Sze81] Sze, S. M.: Physics of Semiconductor Devices. In: John Wiley & Sons (1981)

[Tie99] Tietze, S.: Halbleiter-Schaltungstechnik. In: Springer Verlag (1999)

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