Feldeffekttransistor

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 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

P-MOSFET

N-Kanal JFET

P-Kanal JFET

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 schließlich 0. 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 JFETS sind: BF245, BF256, 2N4416.

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 (Enhancement-Typ) oder leiten (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 z.T. darunter . Bei fast allen MOSFETs ist eine Diode zwischen Drain und Source enthalten, die häufig in Schaltungen nicht eingezeichnet ist. 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 oft 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 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. ungewollte Induktivitäten, die Erhohlzeiten von Dioden und die Gefahr von Funkstörungen. Für eine definierte Schaltzeit wird oft ein kleiner Widerstand (ca. 100 Ohm) vor das Gate geschaltet. Wichtig ist der Widerstand besonders dann, wenn der Aufbau nicht für hohe Frequenzen ausgelegt ist, denn sonst besteht die Gefahr, dass es zwischenzeitlich zu HF-Schwingungen und damit Funkstörungen kommt.

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.

Bauform Beispiel