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

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

JFET long channel FET (L»a) Ladungsverteilung gleichförmig Poisson-Gleichung Abschnürstrom-/ Spannung Sättigungsstrom-/ Spannung Stromfluss

Leitfähigkeit des Kanals in x-Richtung JFET Kennlinien 3 Regionen Lineare Region ISD ~ VSD Sättigungsbereich ISD ~ const Durchbruchszone ISD rasch ansteigend Leitfähigkeit des Kanals in x-Richtung

JFET Berücksichtigen einer komplexen Ladungsverteilung Keine großartigen Effekte bemerkbar Verteilung relativ egal

JFET Berücksichtigen 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

JFET Berücksichtigen von µ bei (L«a) in Si Bei GaAs ist verhalten noch komplizierter, 2-Regionen-Modell

JFET Realisierungen - Betriebsmöglichkeiten Normally on – bei VG=0 fließt bereits ein Strom Normally off – bei VG=0 fließt kein Strom

JFET Realisierungen - 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

MESFET Realisierungen

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 intgr. CMOS UMOS HEXFET

MOSFET Bauteile - Speicherchip „0“ „1“ Schreiben Entladung 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