Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 6 Felteffekt transistorer

2 Repetisjon Kap. 5 Kontaktpotensial V 0 = kt q ln Deplesjonssone W = Diodeligningen N an d n i 2 2ε(V 0 V) N a + N d q N a N d I = I o e qv/kt 1 I 0 = qa D p L p p n + D n L n n p

3 Repetisjon Kap. 5 Gjennombrudd: 1. Zenereffekt (ved lave reversspenninger, hardt dopede overganger tunnelering 2. Avalanche / skred (ved høye reversspenninger, lavt dopede overganger ionisering multiplikasjonseffekt! Begrenset forspenning over en diode: maksimalt V 0 Den ideelle diodeligningen antar lavnivåinjeksjon Idealitetsfaktoren, n, ble introdusert for å ta høyde for avvik fra den ideelle dioden Metall-halvlederoverganger Schottkykontakter når Φ m > og n-type Φ m < og p-type ellers Ohmske Schottkykontakter er majoritetsladningbærer komponenter

4 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

5 Kap. 6 - 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)

6 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. Uniploar 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

7 PPrinsipp for transistor Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

8 PPrinsipp for transistor i D = (15 V)/(1000 Ω) =15 ma load line i D = (0 V)/(1000 Ω) = 0 Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

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

10 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 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.

12 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.

13

14 Bestemme pinch-off spenningen?

15

16 IV karakteristikk for JFET

17 Figure 6-6 Simplified diagram of the channel with definitions of dimensions and differential volume for calculations. Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

18

19

20 Transkonduktans

21 MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) Figure 6 7 GaAs MESFET formed on an n-type GaAs layer grown epitaxially on a semi-insulating substrate. Common metals for the Schottky gate in GaAs are AI or alloys of Ti, W, and Au. The ohmic source and drain contacts may be an alloy of Au and Ge. In this example the device is isolated from others on the same chip by etching through the n region to the semi-insulating substrate. Solid State Electronic Devices, 7e, Global Edition Ben G. Streetman Sanjay Kumar Banerjee Copyright Pearson Education Limited All rights reserved.

22