Diplomarbeit: Webbasiertes exploratives Tutorial zur Lehrveranstaltung EIS "Funktionsweise des MOS-Transistors"

Wie ist ein Transistor aufgebaut und wie arbeitet er ?


 
   

NMOS Transistor


selbstleitender NMOS-Transistor

In diesem Tutorial-Teil soll der Aufbau und die Funktion eines MOS -Transistors erklärt werden. Es existieren verschiedene Arten von Transistoren. Es wird zwischen N- und P-MOS Transistoren unterschieden. Zusätzlich existieren MOS -Transistoren in einer selbstleitenden oder in einer selbstsperrenden Version. Im folgenden wird zunächst der selbstsperrende NMOS-Transistor genauer beschrieben. Später werden die Unterschiede zu den anderen Transistorarten herausgearbeitet. (Siehe Tutoriumteil: Welche Transistor-Arten existieren?)

 

 

Herstellung eines NMOS -Transistors

Dieser kurze Überblick über die Herstellung eines MOS-Transistors soll zur Abgrenzung des hier behandelten Themas dienen. Um einen umfassenden Einblick zu erhalten, empfehle ich das Studium des Vorlesungsskripts oder das Buch von Rosenstiel

Herstellungsprozeß:

  1. Maskenherstellung = Die Schaltpläne werden als konkrete Masken realisiert
  2. Waferherstellung = Die Substrat-Wafer werden hergestellt (meistens p-dotiert)
  3. Lithographie = Eine Maske wird auf den Wafer abgebildet
  4. Diffusion = Die durch die Maske festgelegten Stellen werden dotiert
  5. Vormessen = Fehlersuche
  6. Montage = Einbau in die IC-Gehäuse
  7. Endmessen = Fehlersuche
  8. Stempeln
  9. Ausliefern

Die Schritte 3 und 4 werden wiederholt ausgeführt, meist einmal pro Maske.

Im folgenden werden einzelne Stufen im Teilabschnitt 3 - 4 des Herstellungsprozesses beschrieben und genauer analysiert.

 

   

Ersatzschaltbild


Ersatzschaltbild für einen Transistor

Wie das Ersatzschaltbild zeigt, kann ein Transistor mit zwei p-n Übergängen (Dioden) und einem MOS-Kondensator realisiert werden.

 

 

Dioden / p-n Übergänge


Die Raumladungszonen (dunkelgrün und dunkelrot) führen zur Sperrung der Draindiode

In einem ersten Schritt wird ein p-dotiertes Substrat (z.B. Silizium) an zwei Stellen n-dotiert. Werden an diese Stellen Anschlüsse angebracht und eine Spannung angelegt, kann beobachtet werden, daß zwei p-n Übergänge (Dioden) entstanden sind, von denen immer einer sperrt.

Definition:
Der Anschluß, an dem das negative Potential anliegt, wird beim NMOS-Transistor Source (Quelle der Ladungsträger, hier Elektronen) genannt und der Anschluß mit dem positiven Potential Drain (Senke). Die Drain-Source-Spannung wird mit UDS bezeichnet.

Festlegung:
Die Spannung zwischen Substrat und Source soll auf dem Potential 0V liegen. Also USS = 0V (beim Bodyeffekt gilt diese Festlegung später nicht mehr).

 

Beobachten Sie, wie immer ein p-n Übergang sperrt und somit kein Strom fließen kann.

Transistor: p-n Übergänge

Beobachten sie, wie bei der sperrenden Diode die Raumladungszonen entstehen.
Mit Feld2 wird in dem Applet, in Übereinstimmung mit dem Applet "beschaltete Diode",
das durch die angelegte Spannung erzeugte Feld bezeichnet.
Das Feld1, welches durch die Grundspannung entsteht, wird hier ausgeblendet.


Bei Problemen in diesem Abschnitt wird empfohlen, den Abschnitt "Wie funktioniert eine Diode ?" dieses Tutorials zu bearbeiten. In den jetzt folgenden Applets werden die Raumladungszonen nicht mehr explizit dargestellt.

 

 

MOS Kondensator


Durch die positive Gate-Source Spannung entsteht der Kanal

Damit der Transistor leiten kann, wird zuerst auf das Substrat ein Dielektrikum (z.B. Siliziumdioxid) aufgebracht. Dann wird ein Gate (z.B. Metall oder Polysilizium) auf das Dielektrikum diffundiert. Dieser Aufbau aus Substrat/Dielektrikum/Metal stellt einen MOS-Kondensator dar. Wird an das Gate eine positive Spannung gegenüber der Source angelegt, entsteht nach dem Überschreiten der Schwellwertspannung (UTH) ein n-leitender Bereich, die Inversionszone.

Definition: Die angelegte Spannung zwischen Gate und Source wird mit UGS bezeichnet.

 

 

Beobachten Sie, wie die Inversionszone entsteht. In diesem Applet wird die Verarmungszone nicht mehr angezeigt.

Transistor: MOS-Kondensator

UDS = 0.0V und USS = 0.0V

Bei Problemen in diesem Abschnitt wird empfohlen, den Abschnitt "Wie funktioniert ein MOS-Kondensator ?" dieses Tutorials zu bearbeiten.

 

 

Stromfluß und Kanalform im NMOS - Transistor


Durch elektrische Felder entsteht ein keilförmiger Kanal

Wird die Spannung UDS erhöht und liegt UGS über dem Schwellwert UTH, beginnt Strom zu fließen. Da sowohl die Dioden als auch der Kondensator elektrische Felder erzeugen, die im Winkel von 90 Grad einander entgegen gerichtet sind, kommt es zu einer keilförmigen Form der Inversionzone. Die Inversionszone wird beim Transistor auch Kanal genannt. Je höher die Spannung UDS steigt, desto stärker wirkt das elektrische Feld der Diode. Der Kanal wird ab einem bestimmten Punkt abgeschnürt,d.h. ,daß Ladungsträger nur noch in eingeschränkter Anzahl durch die Raumladungszone wandern können. Dies hat zur Folge, daß eine weitere Erhöhung der Spannung keine Erhöhung der Stromstärke bewirkt.

 

 

Beobachten Sie, wie Strom fließt und durch die entgegengesetzten Felder der keilförmige Kanal entsteht.

Transistor: Stromfluß und Kanalform

Die Verarmungszonen werden in diesem Applet nicht mehr angezeigt

 

   
Weiterführende Themen

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Experimentiermodule:
Diode Kondensator Transistor