Übergangs-Feldeffekttransistoren

Der Feldeffekttransistor wurde von Julius Lilienfeld 1926 und 1933 in US-Patenten (1 900 018) vorgeschlagen. Außerdem untersuchten Shockley, Brattain und Bardeen 1947 den Feldeffekttransistor. Die extremen Schwierigkeiten führten sie jedoch dazu, stattdessen den Bipolartransistor zu erfinden. Shockleys Feldeffekttransistortheorie wurde 1952 veröffentlicht. Die Materialverarbeitungstechnologie war jedoch erst 1960 ausgereift, als John Atalla ein funktionierendes Gerät herstellte.

Ein Feldeffekttransistor (FET) ist ein unipolares Gerät, das einen Strom mit nur einer Art von Ladungsträgern leitet. Basierend auf einer N-Halbleiterplatte sind die Ladungsträger Elektronen. Umgekehrt verwendet ein P-Typ-basiertes Gerät nur Löcher.

FET-Betrieb

Auf Schaltungsebene ist der Betrieb eines Feldeffekttransistors einfach. Eine an das Gate angelegte Spannung , Eingabeelement, steuert den Widerstand des Kanals , die unipolare Region zwischen den Gate-Regionen. (Abbildung unten) In einem N-Kanal-Bauelement ist dies eine leicht dotierte N-Typ-Siliziumplatte mit Anschlüssen an den Enden. Die Quelle und ablassen Anschlüsse sind analog zum Emitter bzw. Kollektor eines BJT. In einer N-Kanal-Vorrichtung dient ein schwerer P-Typ-Bereich auf beiden Seiten der Mitte der Platte als Steuerelektrode, das Gate. Das Gate ist analog zur Basis eines BJT.

„Sauberkeit ist neben Frömmigkeit“ gilt für die Herstellung von Feldeffekttransistoren. Obwohl es möglich ist, Bipolartransistoren außerhalb eines Reinraums herzustellen , es ist eine Notwendigkeit für Feldeffekttransistoren. Selbst in einer solchen Umgebung ist die Herstellung aufgrund von Kontaminationskontrollproblemen schwierig. Der unipolare Feldeffekttransistor ist konzeptionell einfach, jedoch schwierig herzustellen. Die meisten Transistoren sind heute eine Metalloxid-Halbleiter-Variante (späterer Abschnitt) des Feldeffekttransistors, der in integrierten Schaltungen enthalten ist. Es sind jedoch diskrete JFET-Bauelemente verfügbar.

Querschnitt des Sperrschicht-Feldeffekttransistors.

Ein richtig vorgespannter N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) ist in der Abbildung oben gezeigt. Das Gate bildet einen Diodenübergang zu der Source-Drain-Halbleiterplatte. Das Gate ist in Sperrrichtung vorgespannt. Wenn zwischen Source und Drain eine Spannung (oder ein Ohmmeter) angelegt würde, würde der N-Typ-Stab aufgrund der Dotierung in beide Richtungen leiten. Zum Leiten ist weder Gate- noch Gate-Vorspannung erforderlich. Wenn wie gezeigt ein Gate-Übergang gebildet wird, kann die Leitung durch den Grad der Sperrspannung gesteuert werden.

Abbildung unten (a) zeigt die Verarmungsregion am Gate-Übergang. Dies ist auf die Diffusion von Löchern aus dem Gatebereich des P-Typs in den Kanal des N-Typs zurückzuführen, was die Ladungstrennung um den Übergang herum mit einem nichtleitenden Verarmungsbereich am Übergang ergibt. Der Verarmungsbereich erstreckt sich aufgrund der starken Gatedotierung und der leichten Kanaldotierung tiefer in die Kanalseite.

N-Kanal-JFET:(a) Verarmung an der Gate-Diode. (b) Eine in Sperrrichtung vorgespannte Gate-Diode erhöht den Verarmungsbereich. (c) Erhöhen der Sperrspannung vergrößert den Verarmungsbereich. (d) Erhöhen der Sperrvorspannung klemmt den S-D-Kanal ab.

Die Dicke des Verarmungsbereichs kann durch Anlegen einer mäßigen Sperrspannung in Sperrrichtung (b) erhöht werden. Dies erhöht den Widerstand des Source-Drain-Kanals durch Verengen des Kanals. Das Erhöhen der Sperrspannung bei (c) erhöht den Verarmungsbereich, verringert die Kanalbreite und erhöht den Kanalwiderstand. Erhöhen der Sperrspannung VGS bei (d) wird abschnüren der Kanalstrom. Der Kanalwiderstand wird sehr hoch sein. Diese VGS, bei der Abschnürung auftritt, ist VP, die Abschnürspannung. Typischerweise sind es einige Volt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Kanalwiderstand durch den Grad der Sperrspannung am Gate gesteuert werden kann.

Source und Drain sind austauschbar, und der Source-Drain-Strom kann in beide Richtungen fließen, wenn eine niedrige Drain-Batteriespannung (<0,6 V) erreicht wird. Das heißt, die Entladebatterie kann durch eine Niederspannungs-Wechselstromquelle ersetzt werden. Für eine hohe Stromaufnahmespannung, bis zu 10 Volt für Kleinsignalgeräte, muss die Polarität wie in der Abbildung unten (a) angegeben sein. Diese in den vorherigen Figuren nicht gezeigte Drain-Stromversorgung verzerrt den Verarmungsbereich, indem er ihn auf der Drain-Seite des Gates vergrößert. Dies ist eine korrektere Darstellung für übliche DC-Drain-Versorgungsspannungen von einigen bis zu mehreren zehn Volt. Wenn die Drainspannung VDS ansteigt, dehnt sich der Gate-Verarmungsbereich zum Drain hin aus. Dies erhöht die Länge des schmalen Kanals und erhöht seinen Widerstand ein wenig. Wir sagen „ein wenig“, weil große Widerstandsänderungen auf die Änderung der Gate-Vorspannung zurückzuführen sind. Abbildung unten (b) zeigt das schematische Symbol für einen N-Kanal-Feldeffekttransistor im Vergleich zum Siliziumquerschnitt bei (a). Der Gate-Pfeil zeigt in die gleiche Richtung wie eine Sperrschichtdiode.

Der „zeigende“ Pfeil und der „nicht zeigende“ Balken entsprechen P- bzw. N-Typ-Halbleitern.

N-Kanal-JFET-Stromfluss von Drain zu Source in (a) Querschnitt, (b) schematisches Symbol.

Die obige Abbildung zeigt einen großen Stromfluss vom (+) Batteriepol zum FET Drain, aus der Source heraus und zurück zum (-) Batteriepol. Dieser Stromfluss kann durch Variieren der Gatespannung gesteuert werden. Eine Last in Reihe mit der Batterie sieht eine verstärkte Version der sich ändernden Gate-Spannung.

P-Kanal-Feldeffekttransistoren sind ebenfalls erhältlich. Der Kanal besteht aus P-Typ-Material. Das Gate ist ein stark dotierter N-Typ-Bereich. Alle Spannungsquellen sind in der P-Kanal-Schaltung (Abbildung unten) im Vergleich zum populäreren N-Kanal-Gerät umgekehrt. Beachten Sie auch, dass der Pfeil aus dem Gate des Schaltplansymbols (b) des P-Kanal-Feldeffekttransistors zeigt.

P-Kanal-JFET:(a) N-Typ-Gate, P-Typ-Kanal, umgekehrte Spannungsquellen im Vergleich zu N-Kanal-Vorrichtung. (b) Beachten Sie den umgekehrten Gate-Pfeil und die Spannungsquellen im Schaltplan.

Wenn die positive Gate-Vorspannung erhöht wird, erhöht sich der Widerstand des P-Kanals, wodurch der Stromfluss in der Drain-Schaltung verringert wird.

Diskrete Geräte werden mit dem in der Abbildung unten gezeigten Querschnitt hergestellt. Der Querschnitt, der dem schematischen Symbol entspricht, ist in Bezug auf einen Halbleiterwafer auf dem Kopf stehend. Das heißt, die Gate-Anschlüsse befinden sich auf der Oberseite des Wafers. Das Gate ist stark P+-dotiert, um Löcher gut in den Kanal für einen großen Verarmungsbereich zu diffundieren. Die Source- und Drain-Anschlüsse in diesem N-Kanal-Bauelement sind stark dotiert, N+, um den Verbindungswiderstand zu verringern. Der das Gate umgebende Kanal ist jedoch leicht dotiert, damit Löcher vom Gate tief in den Kanal diffundieren können. Das ist die N-Region.

Sperrschicht-Feldeffekttransistor:(a) Querschnitt der diskreten Vorrichtung, (b) schematisches Symbol, (c) Querschnitt der integrierten Schaltung.

Alle drei FET-Anschlüsse sind auf der Oberseite des Chips für die integrierte Schaltungsversion verfügbar, so dass eine Metallisierungsschicht (nicht gezeigt) mehrere Komponenten verbinden kann. (Abbildung oben (c) ) FETs mit integrierter Schaltung werden in analogen Schaltungen für den hohen Gate-Eingangswiderstand verwendet. Der N-Kanal-Bereich unter dem Gate muss sehr dünn sein, damit der intrinsische Bereich um das Gate den Kanal steuern und abschnüren kann. Somit sind Gate-Bereiche auf beiden Seiten des Kanals nicht erforderlich.

SITZEN

Sperrschicht-Feldeffekttransistor (statischer Induktionstyp):(a) Querschnitt, (b) schematisches Symbol.

Der statische Induktions-Feldeffekttransistor (SIT) ist ein Kurzkanalbauelement mit einem vergrabenen Gate. (Abbildung oben) Es handelt sich um ein Leistungsgerät im Gegensatz zu einem Kleinsignalgerät. Der niedrige Gate-Widerstand und die niedrige Gate-Source-Kapazität sorgen für eine schnelle Schaltvorrichtung. Der SIT ist in der Lage Hunderte von Ampere und Tausende von Volt zu leisten. Und soll eine unglaubliche Frequenz von 10 GHz erreichen.

Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET):(a) schematisches Symbol, (b) Querschnitt.

MESFET

Der Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) ähnelt einem JFET, außer dass das Gate eine Schottky-Diode anstelle einer Sperrschichtdiode ist. Eine Schottky-Diode ist ein metallischer Gleichrichterkontakt zu einem Halbleiter im Vergleich zu einem üblicheren ohmschen Kontakt. In der obigen Abbildung sind Source und Drain stark dotiert (N+). Der Kanal ist leicht dotiert (N-). MESFETs sind schneller als JFETs. Der MESFET ist ein Gerät im Verarmungsmodus, normalerweise eingeschaltet, wie ein JFET. Sie werden als Mikrowellen-Leistungsverstärker bis 30 GHz eingesetzt. MESFETs können aus Silizium, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Siliziumkarbid und dem Diamantallotrop von Kohlenstoff hergestellt werden.

RÜCKBLICK:

• Der unipolare Sperrschicht-Feldeffekttransistor (FET oder JFET) wird so genannt, weil die Leitung im Kanal auf eine Art von Träger zurückzuführen ist
• Source, Gate und Drain des JFET entsprechen dem Emitter, der Basis und dem Kollektor des BJT.
• Das Anlegen einer Sperrspannung an das Gate variiert den Kanalwiderstand, indem der Verarmungsbereich der Gate-Diode erweitert wird.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Junction-Feldeffekttransistoren (JFET)