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Feldeffekttransistor / FET
 
   
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Funktionsweise eines Feldeffekttransistors / Unipolartransistors
    Aufbau und Funktion eines n-Kanal-JFET
    Aufbau und Funktion eines p-Kanal-JFET
    Symmetrie von JFETs
 Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs)
 Zusammenfassung
 Weitere Themen:
 Grundschaltungen mit Feldeffekttransistoren


Allgemeines

Feldeffekttransistoren (FETs) sprich Unipolartransistoren sind neben  Sperrschichttransistoren, die man auch Bipolartransistoren nennt, in der Elektronik weit verbreitet. Im Gegensatz zu Bipolartransistoren, bei denen 2 Sorten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) für die Funktion verantwortlich sind, ist es bei Feldeffekttransistoren nur eine Sorte Ladungsträger, weshalb man sie auch Unipolartransistoren nennt. Sie waren technologisch trotz ihres einfacheren Aufbaus schwieriger zu realisieren als Bipolartransistoren, weshalb sie viel später auf dem Markt erschienen, obwohl die theoretischen Grundlagen viel früher geschaffen wurden. Nachfolgend können Sie in einfachen Worten erfahren, wie FETs aufgebaut sind und wie sie funktionieren.


Funktionsweise eines Feldeffekttransistors / Unipolartransistors

Aufbau und Funktion eines n-Kanal-JFET

Ein Feldeffekttransistor besteht aus einem halbleitenden Material, das Sie sich als dünnes Plättchen vorstellen können, auf dem eine oder mehrere Elektroden aus komplementär dotiertem Material aufgebracht sind. In Bild 1 ist dies anhand eines Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit n-dotiertem Halbleiterplättchen dargestellt. In der englischsprachigen Literatur wird ein solcher Transistor übrigens JFET (Junction Field Effect Transistor) genannt.


Bild 1: n-dotierter Sperrschicht-Feldeffekttransistor

Der Feldeffekttransistor besitzt drei Anschlüsse: D (=Drain), S (=Source) und G (=Gate), die mit Kollekor, Emitter und Basis eines  bipolaren Transistors vergleichbar sind. Die Anschlüsse für Drain und Source sind zur Kontaktierung auf die beiden Stirnseiten des Halbleiterplättchens aufmetallisiert. Das Gate besteht aus zwei blau gezeichneten p-dotierten Bereichen auf der Ober- und Unterseite des n-dotierten Plättchens, auf die ihrerseits zur Kontaktierung der Gateanschluß aufmetallisiert ist.

Wenn man sich das Gate wegdenkt, kann der Strom vom Drain zur Source (die Elektronen also von Source zu Drain) durch das Halbleiterplättchen fließen, denn es besitzt einen bestimmten ohmschen Widerstand. Man hat also auf diese Weise "nur" einen Widerstand gebaut. An dieser Stelle kommt aber das Gate ins Spiel: Wenn man eine im Vergleich zur Source negative Spannung an die beiden Gatebereiche anlegt, bildet sich um diese ein elektrisches Feld aus. In Bild 2 ist dessen Wirkungsbereich hellblau dargestellt. Es drängt die durch das Halbleiterplättchen fließenden Elektronen ab und verengt so den wirksamen Querschnitt des Halbleiterplättchens, den sogenannten Kanal. Denn bekanntlich sind Elektronen negativ geladen und werden aufgrund der Abstoßung gleicher Ladungen vom negativ geladenen Gate abgestoßen. Der verringerte Querschnitt hat einen größeren Widerstand als ohne elektrisches Feld zur Folge, weil der Widerstand eines elektrischen Leiters umgekehrt proportional zum Querschnitt ist. Der Kanal ist übrigens in der Nähe des Drains enger als in der Nähe der Source. Die Ursache liegt darin, daß sich durch den ohmschen Widerstand des Kanals eine Spannungsdifferenz zwischen Drain und Source ergibt. Damit ist die Spannungsdifferenz zwischen Gate und Drain höher als zwischen Gate und Source, so daß das elektrische Feld in der Nähe des Drains stärker und damit der Kanal enger als in der Nähe der Source ist.



Bild 2: Kanalquerschnitt

Je negativer die Gatespannung ist, desto stärker ist das elektrische Feld d.h. desto geringer ist der effektive Querschnitt, so daß der Widerstand des Kanals steigt. Unterhalb einer bestimmten Gatespannung, der Abschnürspannung, kann überhaupt kein Strom mehr vom Drain zur Source fließen, weil die elektrischen Felder so weit ausgedehnt sind, daß sie den Elektronen den Weg komplett versperren. Mit einer vom Betrag her relativ kleinen Gatespannung kann man daher den Stromfluß sehr gut kontrollieren.

Wie Ihnen sicher aufgefallen ist, bildet am Gate der Übergang vom n-dotierten Halbleiter zur p-dotierten Elektrode eine  Halbleiterdiode. Diese wird jedoch stets in Sperrichtung betrieben, da im Betrieb die Gatespannung immer negativ ist und höchstens 0 V erreicht. Daher fließt kein Gatestrom, von extrem geringen Restströmen abgesehen, wodurch sich ein sehr hoher Eingangswiderstand ergibt. Im Gegensatz zu Röhren, bei denen der Gitterstrom bei 0 V schon beträchtliche Werte annimmt, wodurch der Eingangswiderstand stark zurückgeht, geschieht dies bei JFETs erst bei positiven Spannungen - nämlich dann, wenn die Schwellenspannung der Gatediode erreicht ist.

Die Kennlinien ähneln aufgrund des gleichen Wirkungsprinzips auffallend einer  Pentode (Elektronenröhre). Es ist absolut unerheblich, ob sich wie bei Röhren die Elektronen durch ein Hochvakuum oder wie bei FETs durch einen Halbleiter bewegen und ob die Elektrode als Gitter in der Flugrichtung der Elektronen oder seitlich angeordnet ist. Die Steuerung des Drainstroms bzw. des Anodenstroms erfolgt in allen Fällen rein elektrostatisch. Der einzige Unterschied ist der, daß die Ausgangskennlinien von JFETs bezüglich der Spannungen im Vergleich zu Röhren um den Faktor 10 geschrumpft sind. Die Betriebsspannung ist nämlich um ca. den Faktor 10 kleiner.



Bild 3: Kennlinien eines Sperrschicht-FETs

Technologisch ist es schwierig und aufwendig, ein Halbleiterplättchen mit sehr geringer Dicke herzustellen und auf beiden Seiten mit hoher Präzision die p-Kanal-Inseln, die das Gate bilden, zu erzeugen. Üblicherweise stellt man JFETs daher in Planartechnologie her, bei der die Bearbeitung nur auf einer Seite erfolgt.



Bild 4: Sperrschicht-FET in Planartechnologie

Als Trägermaterial dient ein schwach p-dotiertes Halbleiterplättchen, das im Fachjargon Substrat genannt wird. Auf dieses wird im Epitaxialverfahren flächig eine n-dotierte Schicht mit hoher Präzision aufgebracht, der eigentliche Kanal. Die Anschlußstellen für Source und Drain werden anschließend durch Beschuß mit Dotierungsmaterial partiell stärker n-dotiert. Die Gate-Elektrode besteht hingegen aus p-dotiertem Material. Anschließend werden die Kontaktstellen für Gate, Drain und Source metallisiert und mit Anschlußdrähten kontaktiert.

Die Wirkungsweise ist prinzipiell die gleiche wie oben beschrieben. Der Strom fließt auch hier durch die n-dotierte Schicht, wobei der Stromfluß aufhört, wenn die Gatespannung den Kanal auf Null verengt hat. Dies ist der Fall, wenn der Wirkungsbereich des elektrischen Felds die p-dotierte Unterlage erreicht hat.


Aufbau und Funktion eines p-Kanal-JFET

FETs basieren auf dem gleichen Wirkungsprinzip und besitzen auch qualitativ die gleichen Kennlinien wie Röhren, unterscheiden sich aber in einem wesentlichen Punkt von diesen: Einen FET kann man wie Bipolartransistoren in komplementärer Technologie herstellen. Dadurch ergibt sich ein FET, bei dem alles umgekehrt ist. Ein p-Kanal-JFET benötigt daher im Gegensatz zu dem oben beschriebenen n-Kanal-JFET eine positive Spannung am Gate, um den Stromfluß zu unterbinden. Hierzu braucht man lediglich anstelle des n-dotierten Materials p-dotiertes zu verwenden und umgekehrt.

Aber wie kann man negativ geladene Elektronen mit einer positiven Spannung hindern, durch den Kanal zu fließen? Nun, hier ist der Wirkmechanismus etwas anders, und dieser (Löcherleitung) bedarf zuerst einmal der Erklärung. Das p-dotierte Material heißt ja deshalb p-dotiert, weil es positiv geladene Störstellen besitzt. Dies wird dadurch erreicht, daß an diesen Stellen ein Elektron fehlt. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll, kann man solche gewollten Störstellen nicht dauerhaft mit einem Elektron "entstören"; besetzt ein Elektron eine solche Störstelle, wandert sie zum Nachbaratom, aber verschwindet nicht. Weil in einem p-dotierten Halbleiter eine Störstelle durch Elektronenmangel hervorgerufen wird, spricht man im Fachjargon von einem Loch. Ein solches Loch kann man sich als positiv geladenes Teilchen vorstellen. Wenn man vorne ein positiv geladenes Teilchen reinsteckt, verdrängt dieses seinen Nachbarn, dieses wiederum seinen Nachbarn usw., bis hinten ein anderes positiv geladenes Teilchen hinausgeschubst wird. Denn die Gesamtzahl der geladenen Teilchen bleibt immer gleich.

Weil das positiv geladene Teilchen in Wahrheit einem Loch entspricht, spricht man im Fachjargon von Löcherleitung. Allerdings ist ein Loch natürlich nicht wirklich ein Teilchen sondern eine leere Stelle, die eigentlich durch ein Elektron ausgefüllt sein sollte. In Bild 5 sind die Verhältnisse in einem p-dotierten Halbleiter dargestellt. Neben elektrisch neutralen Atomen (blau) gibt einige wenige, die ein Elektron zu wenig besitzen (schwarz).


Bild 5: p-dotierter Halbleiter

Man kann sich die Löcherleitung wie folgt vorstellen: Dadurch daß man am linken Ende ein Elektron entnimmt, wird ein zusätzliches Loch erzeugt (siehe Bild 6, Übergang 1). Dieses zieht aufgrund der nun positiven Ladung des Atoms ein Elektron von einem Atom aus seiner Nachbarschaft an, wodurch sich das Loch nun dort befindet (Übergang 2). Dieses zieht wiederum ein Elektron aus seiner Nachbarschaft an usw., so daß sich scheinbar das Loch bewegt. Die beteiligten Atome sind grün dargestellt. Von diesen Atomen besitzt immer eines genau ein Elektron zu wenig. Das nicht vorhandene Elektron, also das Loch, bewegt sich entsprechend der Numerierung der Übergänge. Es wirkt so, als ob sich eine positive Ladung von links nach rechts bewegen würde. Physikalisch gesehen bewegen sich aber natürlich immer nur die Elektronen, und zwar entgegengesetzt zur Bewegung des Lochs, also im Beispiel von rechts nach links.



Bild 6: Löcherleitung in einem p-dotiertem Halbleiter

Nach diesem doch recht langen Exkurs, wie Löcherleitung funktioniert, zurück zur eigentlichen Frage, wie denn eine positive Spannung Elektronen am Fließen hindern kann: Die Antwort ist, daß beim p-Kanal-FET eine positive Gatespannung die Löcher genauso abstößt wie bei einem n-Kanal-FET eine negative Gatespannung die Elektronen. Dadurch ändert sich der Kanalquerschnitt und damit der Widerstand aus genau den gleichen Gründen.


Symmetrie von JFETs

Bei symmetrisch aufgebauten JFETs (das sind fast alle) unterscheiden sich Drain und Source im Aufbau und den geometrischen Abmessungen nicht, egal ob es sich um einen n- oder p-Kanaltyp handelt. Aus diesem Grund ist es willkürlich gewählt, welchen Anschluß man Drain nennt und welchen Source. Als logische Folge kann man ohne Einfluß auf die Funktion den als Drain bezeichneten Anschluß als Source verwenden und umgekehrt. Oder andersherum gesagt: Dem FET ist es egal, ob der Strom von Source nach Drain oder von Drain nach Source fließt. Er kann deshalb im Gegensatz zu bipolaren Transistoren Wechselströme schalten.


Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs)

Metalloxid-Feldeffekttransistoren, abgekürzt MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), unterscheiden sich von Sperrschicht-FETs dadurch, daß das Gate nicht durch eine p-dotierten Insel gebildet wird, die eine in Sperrichtung gepolte Diodenstrecke bildet, sondern durch eine metallische Gate-Elektrode, die durch eine Oxidschicht vom Kanal isoliert ist. Der Aufbau ist in Bild 7 ersichtlich.



Bild 7: MOSFET in Planartechnologie

Abgesehen von der Isolierschicht unterscheidet sich ein n-Kanal-MOSFET durch ein anderes Detail von einem JFET: Im Ruhezustand, d.h. ohne angelegte Gate-Spannung, ist er nichtleitend. Denn die beiden stark n-dotierten Anschlußinseln für Drain und Source sind durch die schwach p-dotierte Unterlage getrennt. Durch den pn-Übergang zum Substrat und den np-Übergang zurück zur anderen Elektrode sind immer 2 Diodenstrecken hintereinandergeschaltet, von denen unabhängig von der Polung der angelegten Spannung immer eine sperrt.

Durch Anlegen einer in Bezug auf die Source ausreichend hohen positiven Spannung werden die Löcher, also die Fehlstellen im p-dotierten Halbleitermaterial vom Gate abgestoßen und Elektronen angezogen, wodurch sich dicht unter der Gate-Elektrode eine stark n-angereicherte Schicht (Inversionsschicht) und damit ein leitender Kanal bildet. Denn um vom n-dotierten Drain- zum n-dotierten Source-Anschluß zu gelangen, müssen die Elektronen bei ausreichender Gatespannung keine Sperrschicht mehr überwinden, da die Inversionsschicht ja ebenfalls über frei bewegliche Elektronen verfügt. Dieser Kanal wird umso dicker und damit umso niederohmiger, je höher die Gate-Spannung ist. Bei negativer Gate-Spannung bleibt der MOSFET gesperrt. Der ohmsche Widerstand im voll durchgesteuerten Zustand ist umso geringer, je dichter die beiden Anschlußinseln angeordnet sind d.h. je kleiner die Breite des Gates ist.

Die Ausgangskennlinien sehen genauso aus wie bei JFETs. Der einzige Unterschied ist, daß eine relativ hohe Gatespannung erforderlich ist, um allein durch elektrostatische Anziehung einen leitfähigen Kanal zu erzeugen. MOSFETs kann man genauso wie JFETs nicht nur als n- sondern auch als p-Kanal-Typen herstellen. Ein Gatestrom fließt unabhängig von der Polarität der Gatespannung aufgrund des Isolators, der das Gate vom Kanal trennt, nicht. Allerdings ist die Isolierschicht sehr dünn und kann wie bei einem ganz normalen Kondensator ab einer bestimmten Spannung durchschlagen. Wenn das passiert, ist der MOSFET kaputt. Weniger verbreitet sind selbstleitende MOSFET-Typen. Sie sind ähnlich wie JFETs aufgebaut, besitzen aber statt der p- bzw. n-dotierten Gate-Insel eine Isolierschicht mit aufgedampfter Gate-Elektrode.

Um eine hohe Strombelastbarkeit zu erreichen, muß der Kanal einen möglichst hohen Querschnitt besitzen und eine möglichst kleine Breite des Kanals besitzen (wird in der Literatur Kanallänge genannt, weil man sich auf die Flußrichtung der Elektronen bezieht). Durch Erhöhung der Dicke des Substrats erreicht man keine Verbesserung, da der Einfluß des elektrischen Feldes des Gates ohnehin nicht weit reicht. Um den Querschnitt zu erhöhen, bleibt daher nur die Möglichkeit, die Tiefe des zu erhöhen, was einen sehr langen und sehr schmalen Transistor ergäbe. Ein solches Design ist aber überhaupt nicht praktikabel. Bei den handelsüblichen Arbeitspferden der Leistungselektronik, den Power-MOSFETs, geht man daher einen anderen Weg und plaziert viele einzelne kleine MOSFETs auf einem einzigen, nahezu quadratischen Chip und schaltet sie parallel. Dadurch erreicht man die bekannt hohe Strombelastbarbeit bei guter Herstellbarkeit. Übliche und gut erhältliche Power-MOSFETs besitzen eine Spannungsbelastbarkeit von bis zu 1000 V (Drain zu Source) und gleichzeitig einer Strombelastbarkeit von einigen Ampere bzw. besitzen eine Strombelastbarkeit von einigen dutzend Ampere bei einer Spannungsbelastbarkeit von mindestens 50 V. Die Isolierschicht des Gates ist so dünn, daß sie meistens mit maximal 20 V beaufschlagt werden darf. Überschreitet man diese Spannung, kann die Isolierschicht durchschlagen, und der Transistor ist Schrott. Deshalb wird das Gate in der praktischen Anwendung meistens mit einer Z-Diode vor Überspannung geschützt.


Zusammenfassung

Bei Feldeffekttransistoren bewegen sich die Ladungsträger durch einen Halbleiter, ohne Sperrschichten überwinden zu müssen. Durch ein elektrisches Feld kann die Stromleitung je nach Bauart unterbunden oder gefördert werden; das Wirkungsprinzip ist mit dem von Elektronenröhren absolut identisch. Durch Änderung der Gate-Spannung kann man den Drain- respektive Source-Strom beeinflussen.
  

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