Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 6 Felteffekt transistorer 1

2 Pensum 1 CRYSTAL PROPERTIES AND GROWTH OF SEMICONDUCTORS 2 ATOMS AND ELECTRONS 3 ENERGY BANDS AND CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTORS 4 EXCESS CARRIERS IN SEMICONDUCTORS 5 JUNCTIONS Midttermineksamen Forventes kjent / Orienteringsstoff Viktige elektriske og optiske egenskaper Byggesteinen; pn-dioden 6 FIELD-EFFECT TRANSISTORS 7 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS 8 OPTOELECTRONIC DEVICES Komponenter Lab 2

3 3

4 Transistorer Felt-effekt transistoren var først patentert av Lilienfeld in 1925, men ingenting lagd/publisert. PNP punktkontakt transistor demonstrert av Brattain and Moore 23. des Første MOSFET transistor lagd in 1959/1960 (Kahng og Atalla), som senere ble den viktigste komponenten innen VLSI (very large scale integrated circuit). Årsakene var bl.a. 1. Symmetisk mhp source og drain 2. Unipolar 3. Høy inngangsimpedans (> Ω i dc) 4. Spenningsstyrt 5. Lett å isolere Første IC ble lagd in 1971 med 2300 MOS-transistorer I dag > 10 9 komponenter/chip 4

5 Felt-Effekt Transistorer Komponent med 3 terminaler, hvor strømmen mellom to av dem (source og drain) styres av en tredje (kalt gate) 3 vanlige typer FET s Junction FET Bruker deplesjonssonen til en reversspent pn diode MESFET Bruker en reversspent Schottky barriere kontakt MISFET/MOSFET Bruker et isolerende lag mellom gatekontakt (metall) og halvleder Felteffekttransistorene er en majoritetsbærerkomponent (kun en ladningstype) og kalles derfor unipolar 2 hovedanvendelser: forsterkning og switching (bryter) 5

6 Felteffekttransistoren 3 forskjellige typer: - Junction FET - MESFET - MOSFET JFET MESFET MOSFET Source Gate Drain Source Gate Drain Source Gate Drain n + p-type Si n + n + n + n + p-type Si p-type Si Gate 6

7 Prinsipp for transistor 7

8 Prinsipp for transistor i D = (15 V)/(1000 Ω) =15 ma load line i D = (0 V)/(1000 Ω) = 0 E = i D R + v D Felteffektkomponenter er unipolare og spenningsstyrte via en gate (styre) elektrode som bestemmer ledningskanalens tykkelse (bredde) for ladningsbærere som drifter mellom Source (S) og Drain (D) 8

9 Felt-Effekt Transistorer Junction FET Brukt bl.a. som bryter, High input impedance-, low noise-, differential- forsterkere MESFET Rask, opp til 45GHz, mikrobølgefrekvenser, kommunikasjon, radar MOSFET Byggestenen i det meste av integrert kretsteknologi CMOS (n-mos og p-mos sammen) Mikroprosessorer og minnekomponenter 9

10 JFET (Junction Field Effect Transistor) Source Gate n + p-type Si n + Drain n + Gate 10

11 JFET (Junction Field Effect Transistor) Junction Field Effect Transistor (JFET); høy inngangsimpedans (reversspent overgang) egnet som switch. Deplesjonssonen, som reguleres via gatespenningen, styrer ledningskanalens effektive tverrsnittsareal Partikkelflyt S D (alltid!) I den lavt dopede kanalen ligger S og D på ulike potensial og for lave strømmer er potensialfallet lineært langs kanalen. 11

12 Figure 6 4 Depletion regions in the channel of a JFET with zero gate bias for several values of V D : (a) linear range; (b) near pinch-off; (c) beyond pinch-off. Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

13 Figure 6 5 Effects of a negative gate bias: (a) increase of depletion region widths with V G negative; (b) family of current voltage curves for the channels as V G is varied. Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.