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Der Feldeffekttransistor, meist als FET (Field Effect Transistor) bezeichnet, ist ein unipolarer Transistor. Unipolar deshalb, weil im Gegensatz des bipolaren Transistors, je nach Typ, entweder nur Löcher oder Elektronen am Stromtransport beteiligt sind.

Der FET hat 3 Anschlüsse, Source (Zufluss, Quelle), Gate (Tor) und Drain (Abfluss). Ein vierter Anschluss Bulk (Substrat) ist bei Einzeltransistoren i.d.R. mit Source verbunden und nicht extra herausgeführt.

Die Steuerspannung zwischen Gate und Source erzeugt ein elektrisches Feld. Die dazugehörigen Ladungen beeinflussen die Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals des Feldeffekt-Transistors. Je nach benutzter Isolierung wird zwischen MOSFET und JFET (Junction- oder Sperrschicht-FET) unterschieden.

Es gibt folgende Formen von FETs:

  • Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET)
  • Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
  • dual Gate MOSFET : Spezialltype, hauptsächlich für HF
  • Schottky-Feldeffekt-Transistor (MESFET) - Spezialtype für HF
  • High Electron Mobility Transistor (HEMT) - Spezialtype für HF, > 1 GHz
  • Ionen-Sensitiver Feldeffekt-Transistor (ISFET) - als Sensor

Schaltsymbole

N-MOSFET (Anreicherungstyp, selbstsperrend)
Schaltsymbol NFET.png
P-MOSFET (Anreicherungstyp, selbstsperrend)
Schaltsymbol PFET.png
N-Kanal JFET (Verarmungstyp, selbstleitend)
Schaltsymbol JFETN.png Schaltsymbol JFETN2.png
P-Kanal JFET (Verarmungstyp, selbstleitend)
Schaltsymbol JFETP.png Schaltsymbol JFETP2.png

JFET

JFETs nutzen einen in Sperrrichtung betriebenen p-n-Übergang, um das elektrische Feld zu bilden. Theoretisch kann er auch in Flussrichtung betrieben werden, was allerdings den Vorteil der leistungslosen Ansteuerung zunichte macht. Bei vielen JFETs gibt es keinen, oder wenig, Unterschied zwischen Drain und Source. Sie können also für beide Stromrichtungen benutzt werden. Ohne Gate-Source Spannung ist ein JFET leitend. Durch Spannung in Sperrichtung wird der Strom reduziert und erreicht bei der Abschnürrspannung (sog. pinch-off voltage) schließlich 0A. Bei kleinen Drain-Source Spannung verhält sich der JFET wie ein Spannungsgesteuerter Widerstand. Bei Drain-Source Spannung über etwa 1-2 V verhält sich ein JFET wie eine Spannungsgesteuerte Strombegrenzung. JFETs werden hauptsächlich als Schalter für Signalspannungen und als schnelle hochohmige Verstärker eingesetzt. Es gibt viele Operationsverstärker mit JFET Eingängen. Gebräuchliche N-Kanal JFETs sind: BF245, BF256, 2N4416. P-Kanal JFETs sind selten, es gibt sie aber.

MOSFET

MOSFETs haben eine dünne Oxidschicht als Isolierung zwischen Gate und dem Kanal. MOSFETs können so hergestellt werden, dass sie ohne Gate-Source Spannung sperren (Anreicherungs- bzw. Enhancement-Typ) oder leiten (Verarmungs- bzw. Depletion-Typ). Die einzeln erhältlichen MOSFETs sind aber ohne Gate-Source-Spannung fast alle sperrend (Enhancement-Typ), P-Channel gibt es wohl nur als Enhancement-Typ. Ab einer Gate-Source-Spannung von z.B. +2 V (N-Channel FET) steigt die Leitfähigkeit bzw. der Drain-Source-Strom an. Für den maximalen Strom sind typisch 10 V oder bei sogenannten Logic-Level Mosfets ca. 4 V nötig. Die maximal zulässige Gate-Source-Spannung liegt je nach Typ bei etwa 20-30 V, bei Logic-Level FETs zum Teil darunter. Bei einigen wenigen MOSFETs ist das Substrat als vierter Anschluss separat herausgeführt. Die Steuerspannung ist dann die Spannung zwischen Gate und Substrat. Sonst ist das Substrat intern mit Source verbunden und der MOSFETs enthält damit eine Diode zwischen Drain und Source. Zum Teil wird die Diode im Schaltungssymbol mit eingezeichnet. Es kann also Drain und Source hier nicht vertauscht werden, wenn mehr als 0,5 V Spannung anliegen. Die integrierte Diode kann einen ähnlich hohen Strom wie der FET vertragen und kann bei Brückenschaltungen als Freilaufdiode genutzt werden. Besonders kleine MOSFETs sind empfindlich gegen elektrostatische Aufladungen.

Verwendung für Schaltanwendungen

MOSFETs werden oft für Schaltanwendungen verwendet, da sie größere Leistungen als bipolare Transistoren schalten können und geringere Verluste haben. Anders als bipolare Transistoren können MOSFETs als Schalter (d.h. bei kleiner Drain-Source Spannung, oder ausgeschaltet) problemlos parallelgeschaltet werden.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist, dass sie leistungslos geschaltet werden. Wenn das Gate einmal auf eine bestimmte Spannung aufgeladen wurde, dann ist keine weitere Steuerleistung nötig. Bei bipolaren Transistoren muss die ganze Zeit ein relativ hoher Basisstrom fliessen. Allerdings hat das Gate eine relativ hohe Kapazität (ca. 1 nF für einen 10 A MOSFET). Um die Verluste beim Schalten zu minimieren, muss das Gate schnell geladen und wieder entladen werden. Dafür ist kurzzeitig ein relativ hoher Strom nötig. Aus diesem Grund gibt es fertige Treiberbausteine, wie den ICL7667, die das Gate sehr schnell umladen können. Ein schnelles Schalten des Mosfets ist insbesondere dann wichtig, wenn der Mosfet mit einer hohen Frequenz an- und ausgeschaltet wird (z.B. PWM, Schaltnetzteile).

Andererseits darf das Schalten auch nicht schneller erfolgen als der Rest der Schaltung es verträgt. Begrenzend sind hier z.B. parasitäre Induktivitäten, die Erholzeiten von Dioden und die Gefahr von Funkstörungen. Die Zuleitungsinduktivität zum Gate und die Gatekapazität bilden zusammen einen Schwingkreis. Damit es nicht ungewollt zu einer Resonanzüberhöhung kommt, wird ein Widerstand vor das Gate geschaltet, um diesen potenziellen Schwingkreis zu bedämpfen. Der Widerstand wird im Bereich 5...100 Ohm gewählt. Bei kurzen Umschaltzeiten wird ein kleiner Widerstand gewählt, bei langsamen Vorgängen ein großer Widerstand. Der Aufladevorgang des Gates wird durch den Widerstand leicht verzögert, dies fällt aber in den meisten Anwendungsgebieten nicht ins Gewicht.

Wenn MOSFETs parallel geschaltet werden, braucht jeder MOSFET einen eigenen Widerstand am Gate.

In der Praxis werden wesentlich häufiger N-Kanal Mosfets als P-Kanal Mosfets verwendet. Das liegt daran, dass sich die Elektronen im Halbleiter leichter bewegen können als Löcher. Aus diesem Grund haben N-Kanal Mosfets bei gleicher Chipfläche einen geringeren RDS_ON und damit geringere Verluste.

Die folgende Schaltung zeigt die Verwendung eines MOSFETs zum Regeln eines Motors über PWM. Der eingezeichnete BS170 ist allerdings nur für kleine Lasten geeignet.

Fetschaltstufe.jpg

Auswahl des passenden MOSFET

Es gibt eine verwirrend große Auswahl an MOSFETs. Die im Datenblatt genannte Strombelastbarkeit ist eher theoretischer Natur: bei dem Strom wird der sehr gut gekühlte MOSFET bereits grenzwertig heiß. Genutzt wird entsprechen nur einer kleiner Teil davon - wichtiger ist meist der On-Widerstand: darüber berechnen sich die Verluste im eingeschalteten Zustand. Hierbei ist allerdings meist der Widerstand bei erhöhter Temperatur von Bedeutung, und der kann etwa um den Faktor 1,5-2 höher liegen als der oben im Datenblatt genannte. Größere MOSFETs mit kleinerem Widerstand haben allerdings auch eine größere Gate-kapazität und damit mehr Verluste beim Umschalten. Je höher die Schaltfrequenz, desto wichtiger ist es hier einen guten Kompromiss zu finden. Eine unnötig hohe Spannungsfestigkeit führt zu hohem On-Widerstand bzw. unnötig großer Gate-Kapazität und meist hohem Preis. Die Spannungsfestigkeit muss hoch genug sein, mehr als etwa 50% Reserve über der höchsten möglichen Spannung sind aber eher nicht nötig. Lediglich bei Linearbetrieb eine eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit oft sinnvoll, da Typen für geringe Spannung oft schlecht (oft nicht einmal spezifiziert) dafür geeignet sind. Hier muss man auf die SOA Kurve (meist relativ weit hinten im Datenblatt) achten: Sie gibt an bei welcher Spannung (Drain-Source Spannung am MOSFET - nicht nicht die Versorgungsspannung) wie viel Strom fließen darf.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Schwellspannung, bzw. welche Spannung für die Ansteuerung am Gate nötig ist. Zum Schalten wird eine Spannung deutlich (z.B. 2-3 V) über der Schwellspannung benötigt. MOSFETs, die zur Steuerung mit 5 V geeignet sind, sogenannte Logic level MOSFETs, erkennt man meist daran, dass im Datenblatt der On-Widerstand bei 4-5 V angeben ist. Der dazu angegebene Strom ist auch eine Hinweis auf den Strom der maximal realistisch nutzbar ist. Für den Betrieb mit nur 3,3 V Gate-Spannung gibt es spezielle Low-Level MOSFETs.

Als Hilfe bieten viel Händler und Hersteller eine parametrische Suche, um die Auswahl z.B. auf die passende Spannungsfestigkeit, Gehäuseform und den Preisrahmen zu begrenzen.

Sucht man etwa einen MOSFET um einen MOTOR mit maximal 3 A bei 12 V zu steuern, so genügt ein MOSFET für 20 V oder 30 V Spannungsfestigkeit. Bei einer Verlustleistung von etwa 0,3 W ginge es ggf. noch ohne extra Kühlkörper - dies entspricht einem Spannungsabfall von 100 mV (ein realistischer Wert) oder etwa 33 mOhm als Widerstand. Passend wäre damit ein MOSFET mit weniger als rund 20-25 mOhm (im kalten Zustand) - etwa ein IRF7401 (20 V, 22 mOhm im SO8 SMD Gehäuse, oder etwa ein IRLZ44 (60 V, 28 mOhm TO220).

Bauform Beispiel

Fetbs170.gif


Weblinks

|Liste von MOSFET Typen (Mikrocontroller.net)