Dr. Gernot Ecke tu ilmenau, fg nanotechnologie, Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Raum 315

3.3.

 

Feldeffekttransistoren (FET) 

 

-

 

Bei FET beeinflusst das elektrische Feld der Steuerspannung den Querschnitt und/oder 

die Leitfähigkeit des Halbleiterwiderstandes, durch den der zu steuernde Strom fließt. 

-

 

keine Injektion und Diffusionsmechanismen 

-

 

nur Majoritätsladungsträger – Strom (Unipolartransistoren) 

-

 

spannungsgesteuert, leistungsarme Steuerung 

-

 

zwei Unterarten: Sperrschicht-FET, und MOS-FET (auch IG-FET (isoliertes Gate)) 

 

3.3.1. Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET  engl. JFET) 

 

3.3.1.1. 

Aufbau und Funktion 

 

 

 

Sperrspannung an GS-Diode 

→ Raumladungszone vergrößert sich 

 

 

 

 

70 

 

Aufbau (schematisch) und Schaltsymbol eines n-Kanal-SFETs 

 

 

 

Aufbau und Schaltsymbol eines p-Kanal-SFETs 

 

→ Steuerwirkung: Einengung des Kanalquerschnitts 

GS

U

A

R

←

⋅

=

l

σ

1

 

 

3.3.1.2.

 

Kennlinien 

 

Am  Beispiel des n-Kanal-SFET: 

 

 

 

 

 

 

 

Übertragungskennlinie    Beispiel: 

Ansteuerung nur mit 

GS

U

−

    

 

 

… 

V

U

GS

1

−

=

,  

0

=

DS

U

 

 

GS-Diode in Sperrrichtung!   

 

 

_._. 

V

U

GS

1

−

=

, 

V

U

DS

2

=

 

der Transistor ist bei 

0

=

GS

U

   Überlagerung 

von 

GS

U

 und 

DS

U

 führt 

am 

leitfähigsten! 

    Drain-seitig 

zur 

Abschnürung! 

 

t

U  - Schwellspannung 

 

 

 

U

P

-Abschnürspannung 

 

 

 

 

71

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinienfeld eines n-Kanal-SFET 

 

Beim p-Kanal-SFET: alle Dotierungen und Spannungen ändern: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

72 

3.3.2.

 

Feldeffekttransistoren mit isolierendem Gate (IGFET) 

 

Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOS-FET) - abgeleitet nach Aufbau/Schichtfolge 

 

 

3.3.2.1

 

Aufbau 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aufbau eines n-Kanal-MOSFET (schematisch) 

           Aufbau eines p-Kanal-MOSFET 

 

Der Kanal wird durch die Spannung am Gate gesteuert. 

Das Kernstück eines MOS-FET ist die MOS-Kapazität. 

 

 

3.3.2.2.

 

MOS-Kapazität 

 

 

 

 

73

 

 

Prinzip der Äquivalenzladung: 

 

- Feldlinien beginnen an positiver Ladung, enden an negati ver 

   

   äquivalenten Ladung 

 

 

 

 

- für jede Ladung auf der Metall-Platte muss eine  äquivalente 

   Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen im existieren. 

 

Raumladung im Halbleiter 

 

 

        

↑↓ 

gleich groß, versch. Vorzeichen 

 

Flächenladung auf Metall 

 

Raumladung im Halbleiter kann gebildet werden durch: 

 

-

 

Anhäufung von Majoritätsladungsträgern, negativ (-) bei n-HL 

Anreicherung 

flächenhafte Verteilung 

→ bewegliche Ladungsträger 

-

 

Entblößung von ionisierten Störstellen (+) 

Verarmung 

Verteilung übers Volumen 

→ ortsfeste Ladungsträger 

-

 

Anhäufung von Minoriätsladungsträgern (+) 

Inversion 

flächenhafte Verteilung 

→ bewegliche Ladungsträger 

 

Berechnung des Potentials- und Feldstärkeverlaufs durch die Poissongleichung 

 

             

ε

ρ

ϕ

−

=

Δ

 

 

 

 

{

∫

+

=

0

0

X

Isolator

i

i

er

imHalbleit

x

H

GB

d

E

d

E

U

3

2

1

  

→ Randbedingung 

 

74 

 

 

75

 

- In einer Kondensatoranordnung kann die Leitfähigkeit und der Leitungstyp (n oder p) einer  

  Halbleiteroberfläche leistungslos beeinflusst werden 

  

→ das ist die Grundlage für die Funktion eines MOS-FET! 

 

 

3.3.2.3.

 

Funktion des MOSFET 

 

               

 

 

 

ohne 

→

GS

U

 kein Kanal 

→ kein Drainstrom 

 

GS

U

 stark positiv 

→ starke Inversion →  

Kanal 

→ Drainstrom 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Beispiel: 

 

 

 

 

 

V

sei

U

t

3  

 

1.  

V

U

GS

4

=

, 

V

U

DS

0

=

 

2. 

V

U

GS

6

=

, 

V

U

DS

0

=

 

3.  

V

U

GS

6

=

, 

V

U

DS

3

=

   - Abschnürung des Kanals 

 

 

 

 

      Selbstregulierung, Stabilisierung 

 

 

76 

           

 

 

Formeln 

 

Aktives Gebiet: 

 

(

)

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

−

=

2

2

DS

DS

t

GS

D

U

U

U

U

K

I

 

 

t

GS

DS

U

U

U

−

<

 

 

Abschnürgebiet: 

 

(

)

2

2

t

GS

D

U

U

K

I

−

=

   

 

 

t

GS

DS

U

U

U

−

>

 

 

Transistorkonstante  

 

L

W

d

u

K

x

x

n

⋅

=

0

0

0

ε

ε

 

 

 

3.3.2.4.

 

Typen von MOSFEs 

 

-

 

Die Schwellspannung 

t

U  hängt ab 

- von der Dotierung des HL 

- von festen Ladungen im Oxid und an der  

Si

SiO

−

2

-Grenzfläche 

- von der Technologie (Oxid-Dicke) 

- Austrittsarbeitsdifferenz Gatemetall-HL 

-

 

Durch gezielte Beeinflussung (Ionenimplantation) kann 

t

U  eingestellt werden. 

-

 

Man kann einen Kanal erzeugen, der auch ohne angelegte Gate-Source-Spannung schon  

vorhanden ist: 

Verarmungs-MOSFET, Depletion-Transistor, Normally-ON-FET 

-

 

Im Gegensatz dazu, muss bei anderen Transistoren erst eine Gate-Source-Spannung 

T

U

>

 

angelegt werden 

Anreicherungs-MOSFET, Enhancement-Transistor, Normally-OFF-FET 

 

 

 

 

 

77

Daraus ergeben sich 4 Typen von MOSFETs 

 

n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET 

n-Kanal-Verarmungs-MOSFET 

p-Kanal-Anreicherungs-MOSFET 

p-Kanal-Verarmungs-MOSFET 

 

Schaltsymbole und Übertragungskennlinien:  

 

 

Anreicherungs-MOSFET 

   Verarmungs-MOSFET 

 

 

 

Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinie eines n-Kanal-Verarmungs-MOSFET 

 

 

 

 

78 

3.3.2.5.

 

Grundschaltungen von MOSFETs 

 

wie beim Bipolartransistor sind alle 3 Schaltungsarten möglich 

-

 

Sourceschaltung (häufigste) 

-

 

Gateschaltung 

-

 

Drainschaltung  

 

Schaltung für Anreicherungs-MOSFETs müssen 

t

GS

U

U

>

 sicher stellen! 

Schaltung für Verarmungs-MOSFETs funktionieren auch für 

0

=

GS

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.2.6.

 

CMOS-Technologie 

 

-

 

Abkürzung für Complementary-MOS-Technology 

-

 

Verwendet p-Kanal und n-Kanal-MOSFETs für logische Funktionen 

-

 

Hauptvorteil gegenüber anderen: absolut geringer Energieverbrauch! 

-

 

Standardtechnologie für Mikroprozessoren, Speicher und anwenderspezifische 

Schaltkreise (ASIC) 

-

 

Strom wird nur beim Schaltvorgang verbraucht, sonst nicht 

 

Demonstration am Beispiel des CMOS-Inverters 

 

Inverter – einfachstes logisches Bauelement 

 

 

 

 

79

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eingang 

 NMOS 

  PMOS 

  Ausgang 

 

 

 

 

 

 

 

1  

 

1

=

GS

U

 

 

0

=

GS

U

   0 

 

  leitend 

  sperrt 

0  

 

0

=

GS

U

 

 

1

−

=

GS

U

   1 

 

  sperrt 

  leitend 

 

 

         

 

 

 

ein Transistor sperrt immer! kein Strom in der Ausgangsmasche! (nur beim Umschalten) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

80 

 Realisierung komplizierter: n-Kanal im p-Substrat 

 

 

 

 

     p-Kanal im n-Substrat 

 

Lösung:  z.B. p-Substrat mit n- Wannen für PMOS  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- in C-MOS-Technologie wird die Mehrzahl aller IC´s hergestellt. 

 

 

3.3.2.7.

 

Kleinsignalersatzschaltbild von MOSFETs 

 

üblich: KSEB in y-Parameter-Darstellung   

 

 

21

y

 - Übertragungsleitwert vorwärts (Steilheit) 

22

y

 - Ausgangskurzschlussleitwert (sehr klein, oft vernachlässigbar!) 

 

S

dU

dI

dU

dI

y

konst

U

GS

D

konst

U

DS

DS

=

=

=

=

=

1

2

21

 

 

 

im Abschnürbereich  

(

)

2

2

t

GS

D

U

U

K

I

−

=

   

 

 

 

(

)

t

GS

U

U

k

S

−

=

 

 

 

 

)

(

0

t

GS

ox

r

n

U

U

L

W

d

u

S

−

⋅

⋅

⋅

=

ε

ε

 

 

Entwurfsparameter, Beweglichkeit und Oxideigenschaften gehen direkt in die Steilheit ein! 

 

 

81

3.4.

 

Operationsverstärker (OPV) 

 

3.4.1.  

Aufbau und Prinzip 

 

Herzstück des OPV ist ein Differenzverstärker: 

Verstärkt wird die Differenz der Eingangsspannungen. 

 

                             

 

Ausgangsspannung 

1

2

A

A

U

U

−

 

 

Ausgang am Differenzverstärker 

(

)

1

2

1

2

E

E

A

A

U

U

V

U

U

−

=

−

  

 

Aufbau des OPV an verschiedenen Blocks: 

 

1.

 

Differenzverstärker 

2.

 

Verstärkerstufe 

3.

 

Kurzschlusssicherung 

4.

 

Endstufe 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zwei Schaltungen von Differenzverstärkern (im zweiten Bild mit Signalen an den Ein- und 

Ausgängen) 

 

 

 

 

82 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Komponenten des OPV 

 

 

 

 

Einfache Schaltung eines OPV 

 

 

3.4.2.

 

idealer Opertionsverstärker 

 

Verstärkung des idealen OPV unendlich groß 

Eingangswiderstand 

∞ (keine Strombelastung der Eingangsspannung) 

Ausgangswiderstand 0 

Frequenzbereich 0 … 

∞ 

Vollständig symmetrisch 

→ keine Offsetspannung 

Gleichtaktverstärkung von 0 

Verlustleistung unendlich 

Verstärkung/Gleichtaktverstärkung 

∞ (Gleichtaktunterdrückung) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

83

3.4.3.

 

realer Opterationsverstärker 

 

Temperaturbereich:   

normal -20 … 70°C 

    Militär 

-55 

… 

125°C 

Versorgungsspannung:  

±  15 V (< 

±

 18V) 

Verlustleistung:   8-Pin-Plastikgehäuse 310 mW 

Eingangsspannung:   

bis max. Versorgungsspannung 

Ausgangskurzschluss: unbegrenzt 

möglich 

Eingangswiderstand:   

ca. 2 M

Ω 

Offsetspannung: 

 

ca. 2 mV 

Gleichtaktunterdrückung: < 

30.000 

Leerlaufverstärkung:  

200.000 

 

 

 

 

3.4.4.

 

2 Grundschaltungen mit OPV 

 

Invertierender Verstärker 

 

 

 

 

A

E

U

R

I

R

I

U

+

+

⋅

=

2

2

1

1

  

Knotensatz 

2

1

I

I

=

 

1

2

2

2

1

1

R

R

U

U

R

I

U

R

I

U

E

A

A

E

−

=

⎭

⎬

⎫

−

=

=

 

 

 

 

 

 

 

 

=

E

R

∞  

0

=

E

I

 

V = 

∞   

0

=

ED

U

 

 

84 

Hebelmodell: 

 

 

Nichtinvertierender Verstärker:                         

 

 

 

 

 

 

0

=

ED

U

 

0

=

E

I

 

 

1

1

R

I

U

E

=

 

1

1

2

2

R

I

R

I

U

A

+

=

 

 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

=

1

2

1

R

R

U

U

E

A

 

 

Vielzahl von Schaltungen heute mit Operationsverstärkern wegen: 

-

 

Verstärkung einstellbar 

-

 

Preiswert, klein 

-

 

Hervorragende elektronische Eigenschaften 

-

 

Etablierte Technologie 

-

 

Ersetzt weitgehend diskrete Bauelemente 

 

 

85

Beispiele für Schaltungen mit OPV: 

 

 

 

 

 

 

4.  

 

Herstellungstechnologie von integrierten Schaltungen 

 

4.1.    

Halbleitergrundmaterial: Si 

 

Ausgangsmaterial: Sand (SiO

2

)    

 

Reduktion: 

(braucht viel Energie!) 

 

Danach wird Si gemahlen und gereinigt  

(Gasphasenprozeß)   

 Ergebnis: polykristallines Silizium  

hoher Reinheit 

 

hochreines Si wird geschmolzen 

aus der Schmelze wird in einem  

komplizierten Verfahren ein möglichst  

großer Einkristall gezogen 

 

 

 

 

86 

Zonenziehen oder     

 

 

       Tiegelziehen  (Czochralski-Verfahren) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wenig Defekte - gute elektrische Eigenschaften (perfekter Einkristall) 

Einkristall wird zersägt - geschliffen - poliert - verpackt