Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 6 Felteffekt transistorer 1

2 Eksamensdatoer: 11. OG 12. DESEMBER

3 Repetisjon 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 3

4 Repetisjon 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) 4

5 Repetisjon 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. 5

6 Repetisjon 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.

7 Repetisjon Pinch off spenning og IV karakteristikk Kanallengde = L Kanalhøyde =2a Kanalbredde Z Resistivitet i kanal = ρ Pinch off når deplesjonssonene i f.eks. en symmetrisk JFET møtes nær drain-terminalen V p = qa2 N d 2ε 7

8 Repetisjon Pinch off spenning og IV karakteristikk I D = G 0 V p V D V p V G V p 3/2 2 3 V D V G V p 3/2 En negativ gatespenning V G leder til økning av kanalresistansen i en n-kanals transistor (større deplesjonssone tynnere ledningskanal), og pinch-off skjer ved lavere V D V D > V p I D styres av V G ; V G (t) forsterkning i en komponent med høy inngangsimpedans

9 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.

10 MESFET I en MESFET styres kanalen mellom source (S) og drain (D) av en Schottky-barriere gate. MESFET har lignende IV karakteristikk som JFET Eks: GaAs-MESFET Semi-isolerende substrat ( nesten intrinsisk ) for isolasjon N-type kanal høy ladningdbærermobilitet og dermed god for høye frekvenser (III-V MESFET er vanlige for mikrobølgekomponenter pga god e - - mobilitet og lette å lage) 10

11 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 11

12 MOSFET litt historie... Felteffekttransistoren ble diskutert allerede på 1930-tallet. Første MIS-transistor ble foreslått i 1959 (Moll, Pfann og Garret) I 1960 ble den første transistoren lagd, den viktigste komponenten innen VLSI (very large scale integrated circuit), mikroprosessorer og minne. Viktige MOSFET egenskaper: 1) Symmetrisk mhp Source og Drain 2) Unipolar 3) Høy inngangsimpedans (>10 14 Ω i dc) 4) Spenningsstyrt 5) Lett å isolere Første IC i 1971 hadde 2300 MOS-transitorer Nå > 10 9 transistorer/chip Samsung Galaxy S8 bruker 10 nm teknologi, mens Apple annonserte forrige måned (september) at 7nm transistoren skal brukes i iphone XS og iphone XR

13 MOSFET Gate OFF MOSFET source Drain Source Gate Drain metall isolator Voltage ON n + n + p-type Si source Drain

14 MOSFET

15 Ulike typer av MOSFET

16 Ideell MOS Noen begreper: qφ m er en modifisert arbeidsfunksjon som sier hvor mye son trengs for å løfte et e - fra metallets Fermi-nivå til oksidets ledningsbånd (ikke vacuumnivå) qφ s er tilsvarende for et e - I halvlederen 16

17 Likevekt V=0 V>0 Deplesjon av hull Ansamling av hull V<0 V>>0 Ansamling av elektroner 17

18 1) Likevekt; Φ m = Φ s - ideelt tilfelle 2) Akkumulasjon i p-type material; negativ gatespenning hull tiltrekkes til halvlederens overflate. Materialet mer p-type ved overflaten enn i substrat; h + overflate > h + substrat 3) Deplesjon; positiv gatespenning h + frastøtes fra overflaten og noe ansamling av e - forekommer. Materialet mindre p-type ved overflaten enn i substratet; h + overflate < h + substrat 4) Inversjon; V gate 0 ansamlingen av e - ved overflaten blir så stor at det dannes et n-type skikt, dvs. n>p og E Fs > E i ved overflsten. Dette er «grunnsteinen>» for MOSFET ens funksjon 5) Sterk inversjon; V gate 0 -> n overflate = p substrat, dvs overflaten er like mye n-type som substratet er p-type og E Fs E i overflate = E i E Fs substrat. Bredden på den inverterte kanalen 50Å og kanalens ledningsevne er god 18

19

20 Sterk Inversjon

21 Terkselspenning, V T, i det ideelle tilfellet

22

23

24