Elektronik für Physiker - Physik-Institut

KAPITEL 2. HALBLEITER – BAUELEMENTE 44
gate
source drain
n
p
bulk
n
gate
source drain
n n
p bulk
Das Bild links zeigt einen gesperrten n-Kanal FET, der auf einem p dotierten Substrat
(bulk) aufgebaut ist. Wird nun an die isolierte Steuerelektrode (“gate”) eine positivere
Spannung angelegt, werden sich unterhalb des gates Elektronen ansammeln, die
vorerst die Löcher des p-Substrates kompensieren, es bildet sich eine Verarmungszone.
Wird die Spannung weiter erhöht bildet sich ab der “Threshold voltage” oder “pinch off
voltage” VT ein Überschuss an Elektronen, man erhält unter dem Gate eine zusätzliche
n-Schicht, auch n-Kanal genannt, die Source und Drain leitend verbindet (Bild rechts).
Neben der Dotierungsstärke ist vor allem die geometrische Grösse der gate Elektrode
(Länge L, Breite in der nicht gezeichneten Dimension W ) ein definierender Faktor für
die FET Eigenschaften.
Bei kleinen Drain–Source Strömen lässt sich so der Kanalwiderstand steuern. Bei
grösseren Strömen ergibt sich durch den Spannungsabfall zwischen source und drain
ein ortsabhängiges elektrisches Feld, das gegen Drain hin immer kleiner wird, der Kanal
wird deshalb immer dünner. Damit wird der Strom begrenzt, es ergibt sich ein
Sättigungseffekt. Die DS Spannung, bei der die Sättigung beginnt, heisst Kniespannung
(UK). Offensichtlich ist UK = UGS − UT .
Die Schwellwertspannung VT hängt neben der Dotierungsstärke auch von der Spannung
VBS zwischen bulk und source ab, da diese Spannung die Dicke der Sperrschicht
zwischen dem Kanal und dem Bulk und somit die Kanaldicke mitbestimmt.
Man unterschiedet SperrschichtFET (junction FET, JFET) und MOSFET, (“Metal
Oxide on Semiconductor Field Effect Transistor”, auch MOST). Während bei Sperrschicht
FETs eine normale pn Sperrschicht die Isolation zwischen Gate und Kanal darstellt,
hat eine MOSFET eine dünne SiO2 Schicht als Isolator, was einen viel höheren
Isolationswiderstand ergibt. MOSFET gibt es selbstleitend (Depletion) und selbstsperrend
(Enhancement), je nach dem ob bei Gatespannug null der Kanal leitet oder nicht:
L