Stand: 2004-03

Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal

Feldeffekttransistoren gehören zur Gruppe der Unipolaren Transistoren, daß sind Transistoren mit gleichgepolten pn-Übergängen. Während bei bipolaren Transistoren der Hauptstrom durch n- und p-dotiertes Material fließt, fließt er bei FET's je nach Ausführung nur durch n- bzw. p-dotiertes Material.
Bei FET's unterscheidet man grundsätzlich zwischen Sperrschicht-FET's und MOS-FET's. die Sperrschicht-FET'S sind in N-Kanal und P-Kanal Typen unterteilt. Die MOS-FET's sind in selbst­leitende und selbstsperrende und dort jeweils als N-Kanal und P-Kanal Typen unterteilt.

Anschlußbezeichnung

Schaltzeichen

Aufbau und Wirkungsweise

Sperrschicht-FET's bestehen aus einem stabförmigen p-dotierten oder n-dotierten Silizium, an dessen Stirnseiten sich eine sperrschichtfreie Kontaktfläche befindet. Sie werden Source und Drain bezeichnet.
Beim N-Kanal Typ werden in die Breitseiten p-Zonen einlegiert, die leitend miteinander verbunden sind. Dadurch entstehen pn-Übergänge, die einander gegenüberliegen.

Ausgangskennlinie

Anwendungsgebiete

Der Sperrschicht-FET findet in Verstärkern, Schaltstufen und in Oszillatoren Anwendung. Sein besonderer Vorteil ist sein sehr hoher Eingangswiderstand, der eine Leistungslose Steuerung ermöglicht.

Temperaturabhängigkeit

Bei steigender Temperatur wird beim Sperrschicht-FET der Drainstrom kleiner, weil durch die thermische Eigenbewegung der Atome die freien Ladungsträger gehemmt werden.
Die Abschnürspannung wird bei steigender Temperatur größer, weil sich bei kleinen Drainströmen der Einfluß der Paarbildung stärker auswirkt, als die Abnahme der Kanalleitfähigkeit. Im Übertragungsbereich dieser beiden Effekte ist im Schnittpunkt der Drainstrom temperaturabhängig. Zur Arbeitspunktstabilisierung sollte das der Arbeitsbereich des FET's sein.

Der aktive Teil dieses Transistors besteht aus einem p-leitenden Kristall, dem sogenannten Substrat.
In diesem Substrat sind zwei n-leitende Inseln eindotiert. Das ganze erhält eine Isolierschicht aus Siliziumoxid. Zwei Fenster für die Source und Drain Anschlüsse werden ausgespart. Auf die hochisolierte Siliziumoxidschicht wird eine Aluminiumschicht als Gate Elektrode aufgedampft. das Substrat erhält einen besonderen Anschluß der entweder mit dem Source Anschluß verbunden oder nach außen als B-Anschluß geführt wird.

Anwendung

Sie werden hauptsächlich für Verstärker und Schaltstufen verwendet. Ihr Vorteil liegt in der leistungslosen Steuerung. Ihre Leistungsaufnahme liegt noch etwas geringer als beim Sperrschicht FET. Sie erreichen sehr kleine Schaltzeiten und hohe Grenzfrequenzen. Das Eigenrauschen ist geringer als bei Transistoren. Im Tonfrequenzbereich hat er ein besonders geringes Rauschen.

Temperaturabhängigkeit

Mit steigender Temperatur nimmt die Beweglichkeit der Ladungsträger ab. Mit steigender Temperatur steigt aber auch die Spannung, die erforderlich ist, um den Gatestrom zu sperren. Die beiden Effekte heben sich in ihrer Wirkung fast auf, so daß es fast keine Temperaturabhängigkeit besteht.

Aufbau und Wirkungsweise

Beim selbstleitenden MOS-FET vom N-Kanal Typ sind in ein p-dotierterm Siliziumplättchen zwei hochdotierte n-Zonen eindiffundiert und als Drain und Source bezeichnet. Zwischen den Zonen befindet sich ein schwach n-dotierter Kanal, der auch ohne äußere Feldeinwirkung leitend ist. Er ist durch eine Isolationsschicht abgedeckt, auf die eine Metallelektrode als Gate aufgebracht ist.

Beim Anlegen einer Spannung an Drain und Source (Gate-Source Spannung = 0V) fließt ein Drainstrom. Wird eine negative Gate-Source Spannung angelegt, so werden die freien Elektronen aus der Nähe der Gate Elektrode abgedrängt. das führt zu einer Verminderung der Leitfähigkeit des N-Kanals.
Beim Anlegen einer positiven Gate-Source Spannung werden aus dem p-dotierten Substrat freie Ladungsträger in den N-Kanal gezogen und die Leitfähigkeit nimmt zu. Man nennt diesen Typ auch Verarmungstyp.
Bei einem Drainstrom entstehen wieder Sperrschichten, die den Kanal verengen. Je größer der Strom wird desto größer werden die Sperrschichten und es kommt zu einer Abschnürung des Kanals. Nun tritt der selbe Effekt auf wie beim Sperrschicht-FET.

Ausgangskennlinie

Selbstleitender N-Kanal MOS-FET

Bei selbstleitenden N-Kanal MOS-FET steigt der Drainstrom mit positiv werdener Spannung an und fällt mit negativ werdener Spannung ab.

Aufbau und Wirkungsweise

Der selbstsperrende MOS-FET ist ähnlich wie der Selbstleitende, nur ohne äußeren Feldeinfluß ist kein leitfähiger Kanal vorhanden. Es fließt also kein Drainstrom. Damit der MOS-FET leitfähig wird, muß man an die Gate Elektrode eine positive Spannung angelegt werden.

Das p-dotierte Substrat hat zwar Löcher als freie Ladungsträger aber auch Elektronen als Minoritätsträger. Legt man nun eine positive Gatespannung an, werden die Elektronen aus dem p-dotierten Substrat herausgezogen. Sie sammeln sich unter der isolierenden Siliziumoxidschicht und sind dort als Majoritätsträger vorhanden und bilden einen leitfähigen Kanal zwischen Drain und Source. Es kann nun ein Drainstrom fließen, deshalb wird er auch als Anreicherungstyp bezeichnet.
Die Leitfähigkeit des Kanals kann nun mit der Gatespannung gesteuert werden.

Ausgangskennlinie

Selbstsperrender N-Kanal MOS-FET

Dual-Gate MOS-FET

Der Dual-Gate MOS-FET ist eine Sonderbauform des selbstleitenden MOS-FET. Er verfügt über zwei Gateanschlüsse womit man die zwei in Reihe geschalteten Strombahnen unabhängig voneinander steuern kann. Mit den zwei Gate-Anschlüssen kann man die Leitfähigkeit der Drain-Source Strecke getrennt verändern.

Der Dual-Gate MOS-FET wird als Regelverstärker und als Mischstufen in UKW und Fernsehempfängern eingesetzt.

VMOS-FET

Der VMOS-FET wird durch eine spezielle Fertigungstechnik hergestellt, die einen sehr kleinen Durchlaßwiderstand (1..5Ω, statt normal 1k...10kΩ) erzielt. Durch zusätzliche Parallelschaltung erreicht man, daß diese FET's für sehr hohe Verlustleistung bis 10A und Drain-Source Spannungen von etwa 100V geeignet sind.

VMOS-FET's werden als Verstärker und Schalter im Kleinleistungsbereich eingesetzt.

SIPMOS-FET

SIPMOS-FET ist eine Abkürzung für Siemens Power MOS-FET. Der SIPMOS-FET ist im wesentlichen wie der VMOS-FET, nur wird er in Planartechnik und als selbstsperrender MOS-FET gefertigt. Wobei wieder mehrere FET's parallelgeschaltet sind, um die zulässige Verlustleistung zu erhöhen.

Durch seinen hohen Eingangswiderstand, aber sehr kleinen Durchlaßwiderstand von einigen Milliohm und ihrer geringen Schaltzeit von einigen Nanosekunden, findet er als schneller Leistungsschalter zunehmend Verwendung.

Nachricht an: webmaster@mertech.de