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Bauteile: FETsBauteile: FETs

von OlafSt

Feldeffekt-Transistoren

Feldeffekt-Transistoren (kurz FET genannt) funktionieren prinzipiell so, wie die Bipolaren auch. Die Unterschiede liegen im Detail, sind dafr umso drastischer. Es gibt hauptschlich zwei Arten von FETs, nmlich Junction-FETs (Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, kurz fet) und MosFETs (das Mos steht fr Metalloxidhalbleiter).

Ein FET besteht nur mehr aus zwei unterschiedlich dotierten Kristallen. Im wesentlichen kann man sich so ein Teil wie einen n-dotierten Quader vorstellen, bei dem an beiden Seiten ein winziges Stck herausgefrst wurde - und dort hat man einen p-dotierten Kristall draufgeklebt.

An jedem Ende des groen Quaders (den man Kanal nennt) macht man einen Anschlu - Drain und Source genannt. Drain entspricht dem Kollektor, Source dem Emitter. Die beiden p-Zonen an den Seiten bilden zusammen das Gate, dies entspricht der Basis eines bipolaren Transistors. Die beiden Zonen sind dabei elektrisch verbunden und zu einem Anschluss zusammengefasst.

FET-Aufbau

Um die p-Kristalle bilden sich also Sperrschichten, die die Elektronen zwischen Drain und Source behindern. Sie sind aber nicht so gro, das sie einen Stromflu zwischen Drain und Source stoppen knnten. fets sind also selbstleitend, das heit, wenn das Gate die gleiche Spannung wie der Source-Anschluss hat, kann Strom zwischen Drain und Source flieen.

Es gibt weiterhin zwei Arten von fets: Die erste Art, der n-Kanal fet, ist in der obigen Abbildung dargestellt. Der Kanal ist hier n-dotiert - daher der Name.

Tauschen wir das Halbleitermaterial aus (Kanal - p, Gate - n), haben wir einen p-Kanal fet vor uns.

Wie funktioniert so ein FET (am Beispiel eines n-Kanal) ?

Wie schon erwhnt, die zwischen Drain und Source flieenden Elektronen werden von diesen Sperrschichten behindert, flieen also praktisch "drumherum".

Legen wir nun an das Gate eine (gegen Source gesehen) negative Spannung an, vergrern sich logischerweise die Sperrschichten. Der Drainstrom wird strker behindert - und wird somit kleiner. Ist die Spannung negativ genug, treffen sich die Sperrschichten irgendwann und es kann kein Drainstrom mehr flieen. Der Kanal ist abgeschnrt, der FET ist gesperrt.

Drehen wir die Gatespannung wieder hoch, verkleinern sich die Sperrschichten wieder - mehr Drainstrom kann flieen. Hier kommen wir zu einem Problem, das einigen vielleicht schon aufgefallen ist: Der bergang zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Zonen entspricht dem bergang in einer Diode. Solange die Gatespannung beim n-Kanal fet negativ ist, sperrt diese Diode - sobald sie aber positiv wird, wird die Diode leitend, und ein Strom fliet durch das Gate. Das ist in den meisten Fllen unerwnscht, aber es hat auch einen Vorteil: Der FET wird dabei noch "leitfhiger", als er es mit einer Gatespannung von 0 Volt ist. Kann es zu solchen Gatestrmen kommen, schaltet man meistens einen Widerstand vor das Gate - genauso wie man es auch beim bipolaren Transistor vor der Basis macht, um den Strom zu begrenzen.

Bei p-Kanal fets ist dagegen alles umgedreht. Hier fliet der Strom nicht von Drain nach Source, sondern andersherum: Von Source nach Drain, und am Gate arbeitet man nicht mit negativen, sondern mit positiven Spannungen.

Merke! Beim FET werden Strme mit Spannungen gesteuert - und pltzlich macht der Merksatz beim bipolaren Transistor eine ganze Menge Sinn ...

Nun, eben wurde der Vorteil der FETs gegenber den bipolaren Transistoren schon angesprochen: Solange man mit einer negativen Gatespannung arbeitet, fliet absolut kein Strom durch das Gate! Nix, null, nada. Der Drain-Source Strom wird also leistungslos gesteuert. fets werden allerdings aufgrund des Nichtvorhandenseins von (gnstigen) Typen, die mehrere Ampere verkraften, heutzutage nur mehr bei Kleinsignalanwendungen und Oszillatorschaltungen eingesetzt.

Kommen wir nun zu den MOSFETs

FET-Schaltskizze

Das Schaltzeichen zeigt einen n-Channel-MOSFET. Hier gibt es nur eine Zone anstelle von zweien. Das Gate ist durch einen Isolator komplett vom Kanal getrennt - also keine Sperrschichten. Aber wir haben zwei unterschiedlich geladene Zonen, dazwischen einen Isolator. Wer hier an einen Kondensator denkt, liegt absolut richtig.

Beim MOSFET sorgt das zwischen Gate und Kanal entstehende elektrische Feld fr das Abschnren des Kanals. Das elektrische Feld drngelt die Elektronen des Drainstroms einfach beiseite. Je strker das Feld, desto weniger Platz bleibt fr die Elektronen - ergo weniger Strom. Der Groteil der heutzutage erhltlichen MosFETs sind dabei selbstsperrend, sie leiten den Strom im unbeschalteten Zustand also nicht.

Wie arbeitet nun ein MosFET? (Am Beispiel eines N-Kanal Typen)

Wie gesagt ist der MosFET gesperrt, wenn am Gate gegenber Source 0 Volt anliegen. Um ihn leitend zu machen, legt man eine positive Spannung am Gate an. Die Mindestspannung, um einen MosFET leitend zu machen, liegt meist zwischen 1 Volt und 6 Volt. Die Leitfhigkeit der Drain-Source Strecke nimmt dabei immer weiter zu, der Spannungsabfall bei einem gegebenen Strom wird also immer geringer.

Bei p-Kanal MosFETs ist auch hier alles umgedreht: Die Gatespannung (bei n-Kanal positiv) ist bei p-Kanal MosFETs negativ. Auch die Stromrichtung ist umgekehrt: Der Strom fliet von Source nach Drain, und nicht wie beim n-Kanal von Drain nach Source.

Siehe auch: bipolare Transitoren