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5. Der Feldeffekt-Transistor

5.1. Einleitung

Im Kapitel über den bipolaren Transistor (Engl.: Bipolar junction transistor oder BJT) haben wir gesehen,

dass der Ausgangsstrom auf dem Kollektor proportional zum Eingangsstrom der Basis ist. Daher wird der

bipolare Transistor durch den Strom gesteuert. Der Feldeffekt-Transistor (Engl.: Field effect transistor oder FET) benutzt eine Spannung auf dem Eingang des Transistors um den Durchflussstrom zu steuern.

Dieses Verhalten basiert auf dem Effekt des elektrischen Feldes welches durch die Elektrode der Basis

generiert wird (von wo der Name des Feldeffekt-Transistors entstammt). Der Feldeffekt-Transistor ist

daher ein spannungsgesteuerter Transistor.

Fig. 1 Beispiele von typischen Feldeffekt-Transistoren

Der Feldeffekt-Transistor besitzt drei Anschlüsse dessen Bezeichnungen im Vergleich zum bipolaren

Transistor in Fig. 2 aufgelistet sind:

Bipolarer Transistor Feldeffekt-Transistor

Der Emitter - (E) Die Source - (S)

Die Basis - (B) Das Gate - (G)

Der Kollektor - (C) Der Drain - (D)

Fig. 2 Vergleich der Anschlüsse zwischen einem bipolaren und einem Feldeffekt-Transistor.

Der Feldeffekt-Transistor besitzt sehr ähnliche Eigenschaften wie sein Zwillingsbruder, der bipolare

Transistor. Er besitzt einen hohen Wirkungsgrad, reagiert schnell, ist robust und billig. Er kann daher auch

den bipolaren Transistor in den meisten Anwendungen ersetzten.

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Feldeffekt-Transistoren können sehr viel kleiner hergestellt werden als ihr bipolares Äquivalent. Dank ihres

niedrigen Spannungsverbrauchs, sind sie ideal für integrierte Schaltkreise wie z.B. digitale CMOS

Architekturen.

Der bipolare Transistor kann auf zwei unterschiedliche Bauarten hergestellt werden, NPN und PNP,

welche die physikalische Anordnung der Schichten des Typs P und des Typs N beschreiben aus welchen

sie bestehen. Bei den Feldeffekt-Transistoren verhält es sich gleich. Es gibt N-Kanal (engl.: N-Channel

FET) und P-Kanal (engl.: P-Channel FET) Bauarten.

Der Strom zwischen Source und Drain wird über einen Kanal (engl.: Channel) geleitet welcher als

Halbleiter des Typs P oder als Halbleiter des Typs N bezeichnet wird. Die Steuerung dieses Stromes wird

über eine Spannung auf dem Gate ermöglicht.

Wie der Name des bipolaren Transistors darauf hinweist, ist dieser „bipolar“, weil man zwei Typen von

Ladungsträgern benötigt, Elektronen und Löcher. Der Feldeffekt-Transistor hingegen gilt als „unipolar“ da

er entweder Elektronen (N-Kanal) oder Löcher (auch Defektelektronen) (P-Kanal) benötigt.

Der Feldeffekt-Transistor besitzt einen bedeutenden Vorteil gegenüber dem bipolaren Transistor. Seine

Eingangsimpedanz (Rin) ist sehr hoch (Mega Ohm) wobei die des bipolaren Transistors im Vergleich

niedrig ist. Dies hat zwei Konsequenzen. Einerseits ist der Strom durch das Gate, sprich der Verbrauch

extrem niedrig. Das führt andererseits dazu, dass die Komponenten sehr empfindlich gegenüber

elektrostatischer Entladung (engl.: Electrostatic discharge oder ESD) sind.

Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Typen von Feldeffekt-Transistoren. Der JFET (engl.: Junction

Field Effect Transistor) und den IGFET (engl.: Insulated-Gate Field Effect Transistor) welcher eher unter

dem Namen MOSFET (engl.: Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) bekannt ist.

5.2. DER JFET

Wir haben vorher gesehen, dass der bipolare Transistor auf zwei PN Übergängen beruht, über welche der

Emitter-Kollektor Strom fliesst. Der Aufbau eines JFET ist sehr unterschiedlich. Dieser besteht prinzipiell

nur aus einem Kanal, d.h. ein Halbleitermaterial des Typs P oder des Typs N welches es den

Majoritätsträgern erlaubt zwischen Drain und Source zu zirkulieren (Fig. 3).

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Fig. 3 Basisstruktur eines N-Kanal JFET.

Es gibt zwei Typen von JFET: Den N-Kanal JFET und den P-Kanal JFET. Der N-Kanal JFET ist mit

Akzeptoren dotiert und die Leitfähigkeit wird durch den Fluss der Majoritätsträger dominiert, sprich in

diesem Fall den Elektronen. Auf dieselbe Art, ist der Kanal-P mit Donatoren dotiert und die Leitfähigkeit

entsteht durch die Löcher.

Es gibt noch den dritten Kontakt, das Gate (Tor). Dieses besteht aus einem Material des Typs P (resp. des

Typs N bei P-Kanal JFET) welcher einen PN Übergang mit dem Kanal formt.

Unten werden die Symbole sowie die Repräsentation eines N-Kanal und P-Kanal JFET dargestellt.

Fig. 4 Schematische Repräsentation eines N-Kanal und P-Kanal JFET sowie deren Symbole.

Der Grossteil der JFET ist N-Kanal und daher befassen wir uns zukünftig nur noch mit diesem Typ.

Der N-Kanal des Feldeffekt-Transistors repräsentiert einen ohmschen Weg. Der PN Übergang zwischen

dem Gate und dem Kanal ist invers polarisiert. Dies führt zu einer Sperrschicht (nicht-leitend). Diese

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Sperrschicht ist ganz dünn, vorausgesetzt die Spannung am Gate ist 0V (VGS = 0) und es herrscht eine

kleine Spannung (VDS) zwischen Drain und Source. In diesem Zustand ist der Strom über dem Kanal

maximal. Dieser Strom nennt sich maximaler Sättigungsstrom (IDSS). Der JFET ist also ein Leiter.

Da der PN Übergang Gate-Kanal invers polarisiert ist herrscht darüber nur ein sehr geringer Strom

welcher meistens vernachlässigt wird. In diesem Fall ist der Strom auf der Source (IS) derselbe des Drains

(ID).

IG = 0 ⇒ ID = IS

Wird nun eine negative Spannung VGS angelegt, wird die Sperrschicht grösser. Der Querschnitt des

Kanals wird also schwächer (Fig. 5), was den Strom über dem Kanal verringert. Dies erhöht also den

Widerstand des Kanals.

Vergrössert man die Spannung in negative Richtung auf dem Gate, verringert sich der Strom bis zu dem

Punkt, wo er null wird. Die Spannung bei welcher der Kanal schliesst nennt sich (VGS off).

Fig. 5 Verengung des Kanals in Funktion der Spannung am Gate VGS.

Der Strom welcher durch den Kanal Drain-Source fliesst wird durch das Gate gesteuert. Der Kanal verhält

sich also wie ein durch die Spannung des Gates verstellbarer Widerstand (Fig. 6).

Fig. 6 JFET im Widerstandbereich. Der Strom ID ist proportional zur Spannung VDS und die Steigung ist

einstellbar mit Hilfe der Spannung VGS.

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Betrachten wir nun VDS. Es formt sich ein Spannungsgradient entlang des Kanals. Die Spannung wird

immer schwächer positiv auf dem Weg von Drain nach Source. Der PN Übergang ist schon stark invers

polarisiert nahe des Drains und schwach nahe der Source. Die Grösse der Sperrschicht steigt ebenfalls

entlang des Kanals. Im Bereich des Drains ist die Sperrschicht grösser und der Kanal ist enger (Fig. 7).

Die Verengung in diesem Abschnitt des Kanals erhöht den Widerstand.

Fig. 7 Geometrie des Kanals wobei VDS von Bedeutung ist.

Ist das Gate nun mit der Source verbunden und die Spannung zwischen Drain und Source VDS wird

erhöht, so steigt der Strom bis der Kanal komplett verschlossen ist. Diese Spannung (VP) nennt sich

Abschnürspannung (engl.: pinch-off voltage).

Fig. 8 Abschnürung des JFET Kanals

Daraus folgt die Relation:

VP = -VGS off

Ab der Abschnürung des Kanals kann der Strom ID nicht mehr steigen und VDS hat wenig bis gar keinen

Effekt mehr. Nur mit VGS kann der Strom im Kanal noch beeinflusst werden. Der Transistor befindet sich

also in seiner aktiven Zone (auch Sättigungszone genannt) und er funktioniert wie eine Stromquelle

welche durch die Spannung am Gate gesteuert wird.

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Anmerkung: Der P-Kanal JFET funktioniert nach demselben Prinzip wie der N-Kanal JFET mit den

einzigen zwei Unterschieden:

1) Der Strom im Kanal entsteht durch das leiten von Löchern und nicht von Elektronen und ist daher

invertiert.

2) Die Polarität der Spannung am Gate muss invertiert werden um den PN Übergang korrekt zu

polarisieren.

5.2.1. Das JFET Modell

Der JFET funktioniert wie ein steuerbarer Widerstand, d.h. der Widerstand (RDS) variiert zwischen null,

also VGS = 0 und maximal bei stark negativer Spannung am Gate. Im Normalfall ist die Spannung am Gate

immer negativ auf die Source bezogen. Es ist essentiell, dass diese Spannung nie positiv wird. Falls doch

wird der PN Übergang leitend und der gesamte Strom des Drains fliesst über das Gate was den JFET

beschädigt.

Auf Fig. 9 unten wird die typische Charakterisierung eines N-Kanal JFET dargestellt.

Fig. 9 Symbol und Ausgangs Charakteristik eines N-Kanal JFET.

Fig. 9 definiert die vier Arbeitszonen des JFET:

• Die Widerstandszone (engl.: Ohmic region): VDS ist sehr klein, der JFET funktioniert wie ein

gesteuerter Widerstand.

• Die Sperrzone (engl.: Cutoff region): Die Spannung VGS ist so negativ, dass der Kanal

geschlossen ist und der Strom ID=0. Der JFET ähnelt einem Unterbruch.

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• Die aktive Zone oder Sättigungszone (engl.: active or saturation region): Der JFET agiert wie ein

Stromquelle welche durch die Spannung am Gate gesteuert wird. Die Spannung zwischen Drain und

Source VDS hat wenig bis keinen Effekt in dieser Zone.

• Die Durchbruchzone (engl.: breakdown region): Die Spannung VDS zwischen Drain und Source ist

so hoch, dass sich ein Durchbruch im Kanal bildet. Der Strom ID steigt ins Unkontrollierbare. Diese Region

wird auf Fig. 9 nicht angezeigt. Sie befindet sich im rechten Abschnitt.

Nach demselben Prinzip kann die Transfer Charakteristik des JFET definiert werden (Fig. 10).

Fig. 10 Symbol und Transfer Charakteristik eines JFET

Der Strom im Drain ID ist gleich null (ID=0) falls VGS = VGS off. Er steigt bis zu einem maximalen Strom IDSS

falls VGS = 0. Das bedeutet, dass sich der Transistor in der Sättigungszone (oder aktiven Zone) befindet.

Die komplette Transfer Charakteristik kann mit folgender Formel berechnet werde:

2

offGS

GSDSSD V

V1II

−=

Und bei bekanntem Strom ID und Drain-Source Spannung VDS, kann der Widerstand berechnet werden:

D

DSDS I

VR∂∂

=

Alle Gleichungen welche die verschiedenen Zonen des JFET beschreiben werden auf Fig. 11 dargestellt.

DOB2 ________________________________________________________________________ 141

Fig. 11 Gleichungen zur Charakterisierung des JFET

5.2.2. Der JFET Verstärker

Der JFET kann nach derselben Art verwendet werden um eine Verstärkerschaltung (Fig. 12) zu erstellen

mit ähnlichen Charakteristiken wie eine bipolare Schaltung. Der grundlegende Vorteil des JFET liegt in der

sehr hohen Eingangsimpedanz.

Fig. 12 Der JFET in einer Verstärkerschaltung

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Diese Schaltung wird durch einen Spannungsteiler über die Widerstände R1 und R2 polarisiert. Die

Spannung über den Anschlüssen des Source-Widerstandes ist generell auf 25% von VDD fixiert:

4VRIV DD

SDs ==

Nachdem der Strom im Drain gewählt wurde, kann der Wert des Source-Widerstandes RS berechnet

werden.

S

GSG

S

sD

GSGs

RVV

RVI

VVV−

==

−=

Da der Strom am Gate null ist, kann die Spannung direkt durch folgende Formel berechnet werden:

DD21

2G V

RRRV

+

=

Dieser Film gibt eine gute Zusammenfassung zur Funktionalität des JFET:

http://www.youtube.com/watch?v=-z2bIJnPgiI

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5.3. DER MOSFET (ENGL.: METAL OXIDE FIELD EFFECT TRANSISTOR)

Ähnlich zum JFET existiert ein anderer Typ von Feldeffekt-Transistor wobei das Gate elektrisch vom

Stromfluss im Kanal isoliert ist. Er nennt sich Isolierschicht-Feldeffekttransistor oder IGFET (engl.:

Insulated Gate Field Effect Transistor). Der geläufigste Typ des IGFET ist der MOSFET (engl.: Metal

Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Die Bezeichnung der Kontakte eines MOSFET sind dieselben des JFET: Gate, Drain, Source. Es existiert

noch ein weiterer Kontakt welcher mit dem Substrat (engl.: Bulk or Body) verbunden ist. Dieser Anschluss

ist meistens mit der Source kurzgeschlossen und sein Vorhandensein wird oft verborgen.

5.3.1. Die Struktur des MOSFET

Der MOSFET ist ein Transistor mit welchem der Feldeffekt über eine Spannung gesteuert wird. Wie der

JFET, kann der MOSFET als steuerbarer Widerstand, welcher über die Spannung am Gate gesteuert

wird, betrachtet werden. Die Dimensionen dieser Technologie sind charakterisiert durch die Länge L (Fig.

13). Z.B. wird ein MOSFET mit der Länge L=0.18μm als 0.18μm Technologie bezeichnet.

Fig. 13 Ansicht eines MOSFET in 3D (links) und im Querschnitt (rechts)

Der MOSFET unterscheidet sich vom JFET aufgrund des vom Kanal elektrisch getrennten Gates. Dies

geschieht über eine dünne Oxidschicht. Diese Isolation in Bezug zum Kanal ergibt einen extrem hohen

Eingangswiderstand (Mega Ohms). Man geht davon aus, dass kein Strom über das Gate fliesst.

Gleich zum JFET ermöglicht der hohe Eingangswiderstand das Ansammeln von hohen elektrostatischen

Ladungen. Daher sind auch MOSFETs sensibel gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) und

müssen dementsprechend behandelt werden.

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Da der Strom am Gate extrem klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Strom am Drain gleich

dem Strom an der Source ist:

SDG II0I =⇒=

Es existieren zwei der Dotierung entsprechenden Typen. Der P-Kanal MOS oder PMOS und die N-Kanal

MOS oder NMOS. Diese zwei Typen unterscheiden sich weiterhin in zwei Unterklassen:

• Der Verarmungstransistor (engl.: Depletion): Dieser Transistor benötigt eine Gate-Source Spannung VGS um den Transistor zu blockieren. Er ist gleichbedeutend mit einem Schalter welcher

normalerweise geschlossen ist (engl.: Normally closed).

• Der Anreicherungstransistor (engl.: Enhancement): Dieser Transistor benötigt eine Gate-Source Spannung VGS um den Transistor einzuschalten. Er ist gleichbedeutend mit einem Schalter

welcher normalerweise offen ist (engl.: Normally open).

Die Symbole und Strukturen zu den zwei Konfigurationen der MOSFETs werden hier dargestellt:

Fig. 14 Symbole und Struktur von N-Kanal und P-Kanal MOSFETs.

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Die vier Symbole der MOSFETs zeigen einen weiteren Anschluss, welcher „Substrat“ genannt wird. Dieser wird nicht

als Eingang oder Ausgang benutzt, sondern zum fixieren des Potentials am Substrat. Dieser Anschluss wird im

Symbol häufig weggelassen.

Die Linie auf den Symbolen welche den Drain mit der Source verbinden, stellt den Kanal dar. Ist die Linie

durchgezogen, handelt es sich um einen Verarmungstransistor (normalerweise leitend). Ist die Line

unterbrochen, handelt es sich um einen Anreicherungstransistor (normalerweise blockiert). Die Richtung

des Pfeils gibt an ob es sich um einen P-Kanal oder N-Kanal MOSFET handelt.

5.3.2. Funktionsprinzip des MOSFET

Die Struktur des MOSFET ist sehr unterschiedlich zur der des JFET. MOSFET des Verarmungs- und

Anreicherungstyps benutzen ein elektrisches Feld welches am Gate entsteht um die jeweiligen

Ladungsträger im Kanal (Elektronen im N-Kanal und Löcher im P-Kanal) zu laden. Die Gate Elektrode

befindet sich oberhalb einer dünnen Oxidschicht. Die Elektroden des Drains und der Source sind auf einer

Typ N Zone platziert (Fig. 15).

Fig. 15 Schematische Darstellung eines MOSFET

Im Fall des JFET haben wir gesehen, dass es nötig war den PN Übergang invers zu polarisieren. Beim

MOSFET ist dies nicht der Fall. Das Gate kann positiv oder negativ polarisiert werden. Diese Eigenschaft

macht den MOSFET sehr nützlich als Schalter oder Logikschaltung, da er nicht-leitend ist ohne eine

Spannung anlegen zu müssen. Zusätzlich weist der sehr hohe Widerstand am Gate darauf hin, dass sein

Verbrauch sehr schwach ist.

Wir werden nun beide Typen des MOSFET, den Verarmungstyp und den Anreicherungstyp etwas genauer

betrachten.

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Der Anreicherungstyp MOSFET

Dieser Typ ist gängiger als der Verarmungstyp. Hierbei existiert kein Kanal zwischen den beiden N-Zonen

des Drains und der Source da der Kanal fast nicht oder gar nicht dotiert ist. Er ist also nicht-leitend. Der

Weg zwischen Source und Drain ist blockiert, sprich der Widerstand darüber steigt in den TΩ Bereich! D.h.

der Transistor ist blockiert (engl. Normally „OFF“).

Es fliesst ein Strom über den Kanal Drain-Source falls die Spannung auf dem Gate (VGS) höher als die

Schwellenspannung (engl.: threshold voltage) (Vth) ist. Eine positive Spannung stosst die Löcher ab wobei

Elektronen gegen die Oxidschicht gezogen werden (Fig. 16). Dabei formt sich nahe dieser Schicht ein

Kanal über welchen ein Strom fliessen kann.

Fig. 16 Schematische Darstellung der Kanalbildung im MOSFET

Ab einer geringen Spannung VDS zwischen Drain und Source (max 0.2V) kann ein Strom fliessen. Dabei

befindet sich der MOSFET im ohmschen Bereich. Die Leitfähigkeit des Kanals ist proportional zur

Spannung am Gate VGS. (Fig. 17).

Fig. 17 Charakteristik eines MOSFET im linearen oder ohmschen Bereich.

DOB2 ________________________________________________________________________ 147

Wird die Spannung VDS erhöht, so ergibt sich ein Verlust der Spannung VDS entlang des Kanals. Daraus

resultiert eine variable Spannung zwischen dem Gate und verschiedenen Punkten entlang des Kanals. Sie

variiert von VGS (nahe der Source) bis VGS - VDS (nahe des Drains). Da die Tiefe des Kanals von dieser

Spannung abhängig ist, ist diese entlang des Kanals variabel (Fig. 18).

Erreicht die Spannung über Drain-Source einen Wert, so dass die Spannung zwischen Gate und dem

Kanal an der Stelle nahe des Drains die Schwellspannung erreicht, so nennt sich diese: VGS - VDS = Vth.

Die Tiefe des Kanals am Ende gegen den Drain wird 0. Man nennt dies Einschnürung (engl.: pinch-off)

des Kanals oder Sättigung des MOSFET (Fig. 18).

Fig. 18 Steigung des Kanals mit steigender VDS. Man erkennt die variable Tiefe des Kanals welche

variabel (links) gegenüber der Einschnürung (rechts) ist.

Eine weitere Erhöhung von VDS über diesen Wert hat keinen Einfluss auf die Intensität des Stromes am

Drain ID. Man bemerkt, dass die Charakteristik des MOSFET (Fig. 19) in der Sättigungszone flach wird.

Fig. 19 Symbol und Charakteristik eines Anreicherungstyps N-Kanal MOSFET.

Hier befindet sich eine Flash Animation welche die Einflüsse der verschiedenen Spannungen über einem

Kanal-N MOSFET zeigt:

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/mosfet.html

DOB2 ________________________________________________________________________ 148

Die Anreicherungstyp MOSFETs sind exzellente Schalter aufgrund ihres schwachen Widerstands im

aktivierten Zustand und ihres extremen Widerstands im blockierten Zustand. Diese Komponenten werden

in logischen Schaltungen und in Form von CMOS (Complementary MOS) verwendet. Diese Schaltungen

benutzen PMOS (P-Kanal) und NMOS (N-Kanal) welche ergänzend funktionieren (dies wird später

betrachtet).

Der Verarmungstyp MOSFET

Dieser MOSFET ist weniger üblich als der Anreicherungstyp MOSFET. Er ist normalerweise leitend (engl.:

normally „ON“) ohne das Ansetzen einer Spannung auf dem Gate. Wird jedoch zwischen Gate und Source

eine Spannung (VGS) angelegt, erzeugt diese, ähnlich zum JFET, eine Blockierung. Eine positive

Spannung am Gate eines N-Kanal MOSFET vergrössert den Kanal und steigert dem Strom zwischen

Drain und Source. Ist die Spannung am Gate negativ, so wird der Strom im Kanal reduziert (Fig. 10).

Fig. 20 Symbol und Charakteristik eines Verarmungstyp Kanal-N MOSFET.

5.3.3. Modellierung von MOSFET

Für schwache Werte von VDS verhält sich der MOSFET linear und kann daher als variabler Widerstand mit

dem Wert RDS betrachtet werden:

)VV(K21

IV

RthGSD

DSDS −

=∂∂

=

Wobei K den Parameter des Übertragungswirkleitwerts in [A/V2] darstellt, welcher der Technologie und

Geometrie entspringt. Wie man sieht, kann RDS mit der Spannung VGS kontrolliert werden.

Wird die Spannung VDS weiter erhöht, wird der Strom ID quadratisch, wie folgende Gleichung darstellt:

DOB2 ________________________________________________________________________ 149

−−=

2V

VVKV2I DSthGSDSD

Daraus entspring der maximalen Strom wenn:

0VI

DS

D =∂∂

Das bedeutet:

0KV2)VV(K2VI

DSthGSDS

D =−−=∂∂

Oder:

SatDSthGSDS V)VV(V =−=

Es handelt sich um die Sättigungsspannung. Für Spannungen über VDS Sat ist der Kanal abgeschnürt und

der Strom ist gesättigt beim Wert ID Sat.

Beim Einsetzen von VDS Sat in ID findet man den Sättigungsstrom ID Sat:

( )2thGSSatD VVKI −=

In dieser Zone ist der Strom unabhängig von VDS. Die gesamte Charakteristik des MOSFET wird in Fig. 21

zusammengefasst.

DOB2 ________________________________________________________________________ 150

Fig. 21 Modellierung und Charakteristik des MOSFET

5.3.4. Anwendungen des MOSFET

MOSFETs sind aktive Komponenten welche mit Hilfe von verschiedenen Halbleitermaterialien hergestellt

werden, welche isolierend oder leitend funktionieren wenn eine schwache Spannung am Gate angelegt

wird. Sie werden meistens als Schalter (Digitalelektronik) oder als Verstärker (Analogelektronik)

eingesetzt. Sie funktionieren in drei verschiedenen Regionen:

• Die Widerstandszone (engl.: Ohmic region): Wenn VGS > Vth und VDS > VGS funktioniert der

MOSFET wie ein Widerstand welcher durch die Spannung VGS gesteuert wird.

• Die Sperrzone (engl.: Cutoff region): Wenn die Spannung VGS < Vth ist der Kanal geschlossen und

der Strom ID=0. Dabei gleicht der MOSFET einem Unterbruch.

• Die aktive Zone oder die Sättigungszone (engl.: active or saturation region): Wenn VGS > Vth. Der

MOSFET befindet sich in der Konstantstrom Region. Der Transistor ist vollständig leitend und überträgt

den maximalen Strom ID Sat. Der MOSFET gleicht einem Kurzschluss.

Der MOSFET als Schalter

Gegeben ist ein Anreicherungstyp MOSFET in einer Schaltung wie auf Fig. 22.

DOB2 ________________________________________________________________________ 151

Fig. 22 Der MOSFET im Bereich der Sperrzone.

Ist die Spannung auf dem Gate (Vin) null, bedeutet dies, dass sie sich unter der Schwellspannung befindet.

Der Transistor ist also blockiert. Der Widerstand des Kanals ist extrem hoch und der Strom des Drain ist

null (ID = 0). Die Ausgangspannung VOUT ist also dieselbe der Speisespannung VDD. Der Transistor gleicht

einem offenem Schalter (engl.: switch open).

Umgekehrt (Fig. 23), sprich wenn die Eingangsspannung hoch ist (Vin = VDD), befindet sich die Spannung

über Gate-Source oberhalb der Schwellspannung und der Transistor ist gesättigt. Der Widerstand des

Kanals ist extrem schwach (RDS(on) < 0.1Ω). Man geht oft davon aus, dass er vernachlässigbar ist. Der

Strom am Drain erreicht seinen Maximalwert:

ID = VDD / RL.

Die Ausgangsspannung VOUT ist gleich VDS = 0V für eine ideale Sättigung. Der Transistor entspricht einem

geschlossenen Schalter.

Fig. 23 Der MOSFET im Bereich der Sättigung

Betrachtet man die Charakteristik des MOSFET (Fig. 24) als Schalter, existieren nur zwei mögliche

Zustände welche sich auf der Arbeitskurve befinden:

• Am Punkt A ist der Transistor gesättigt und gleicht einem geschlossenen Schalter.

• Am Punkt B ist der Transistor blockiert und gleicht einem offenen Schalter.

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Fig. 24 Der MOSFET als Schalter.

Der MOSFET gleicht einem sehr effizienten Schalter welcher viel schneller arbeiten kann, als ein bipolarer

Transistor.

Beispielanwendung : Der MOSFET als Schalter

Auf dieser Schaltung wird ein N-Kanal MOSFET zum Anzünden und Auslöschen einer Lampe benutzt.

Fig. 25 MOSFET als Schalter benutzt.

ID

VDS VDD

Droite de travail Arbeitsgerade

A

B

ID=VDD/RL

ID=VDS/RDS(ON) VGS=VDD

DOB2 ________________________________________________________________________ 153

Angenommen die Lampe arbeitet mit V=6V, P=24W. Der Widerstand Drain-Source des MOSFET im

Sättigungsbereich ist 0.1Ω. Berechne die Verlustleistung im Schalter:

Der Strom über der Lampe ist:

A4624

VPIIVP DD ===⇒⋅=

Die Verlustleistung über dem MOSFET wird gegeben durch:

W6.11.04RIP 2DS

2DD =⋅=⋅=

Es ist demensprechend wichtig bei Leistungsanwendungen einen MOSFET mit möglichst geringem

Kanalwiderstand RDS(on) zu wählen. Der Verlust und die dadurch entstehende Erhitzung kann somit

minimiert werden. Das Risiko, dass der MOSFET überhitzt wird dadurch verhindert. MOSFETs im

Leistungsbereich besitzen Werte von RDS(on)<0.01 Ω.

Das Limit eines MOSFET ist sein Maximalstrom. Dieser entspring ebenfalls aus dem Wert RDS(on):

D

DS)on(DS I

VR =

Je kleiner RDS(on), desto kleiner ID, desto grösser die gegebene Spannung VDS. Es ist also erneut von

Interesse einen MOSFET mit einem möglichst schwachen RDS(on) zu wählen. Für Leistungsanwendungen

sind bipolare Transistoren hingegen besser geeignet.

Der P-Kanal MOSFET als Schalter

Bis jetzt haben wir uns nur mit dem NMOS als Schalter befasst, indem dieser zwischen einem

Lastwiderstand und der Masse eingesetzt wird. In verschiedenen Anwendungen ist es hingegen

praktischer die Last direkt mit der Masse zu verbinden. In diesem Fall verwendet man einen

Anreicherungstyp PMOS (Fig. 26). Der Transistor ist direkt mit der Speisung verbunden, wie ein PNP

Transistor. Man beachte, dass die Source sich am oberen Pin des MOSFET befindet.

Fig. 26 Kanal-P MOSFET Schalter.

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Bei einem P-Kanal Transistor, fliesst der Strom im Drain in die negative Richtung und daher wird eine

negative Spannung zwischen Gate und Source angelegt (wie auf der Darstellung). Der Transistor ist

leitend (ON). Im gegenteiligen Fall, ist er blockiert (OFF). Es ist auch möglich den Widerstand

wegzulassen und dafür einen PMOS mit einem NMOS in Serie zu schalten (Fig. 27). Diese funktionieren

auf eine ergänzende Art in Form von CMOS (Complementary MOS) Schaltungen.

Fig. 27 CMOS Motorsteuerung

Der Motor ist mit den Drains beider Transistoren verbunden. Die Source des NMOS ist mit einer negativen

Speisung verbunden, wobei die Source des PMOS mit einer positiven Speisung verbunden ist. Die Gates

der Transistoren besitzen dieselbe Spannung.

Ist der Eingang auf dem niedrigen Zustand, ist der P-Kanal MOSFET eingeschaltet und der Motor dreht

sich in eine Richtung. Es wird nur die positive Speisespannung +VDD benutzt.

Ist der Eingang auf dem hohen Zustand, ist der P-Kanal MOSFET geschlossen und der N-Kanal MOSFET

öffnet sich. Der Motor dreht nun auf die entgegengesetzte Richtung, da er nun mit der negativen

Speisespannung verbunden -VDD ist.

Dieselbe Technologie eignet sich auch gut zur Implementation von digitalen Funktionen:

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Fig. 28 CMOS Inverter

Das Funktionsprinzip ist folgendes. Ist der Eingang a auf Vdd (1 logisch), wird der PMOS Transistor

blockiert und der NMOS Transistor leitend. Der Ausgang y hängt an der Masse (0 logisch). Und

umgekehrt, ist der Eingang a auf der Masse (0 logisch), wird der PMOS Transistor leitend und der NMOS

ist blockiert. Der Ausgang y hängt an Vdd (1 logisch). Die Funktion ist also, jene eines Inverters.

Um diesen Abschnitt abzuschliessen kann die Fig. 29 betrachtet werden. Dabei ist zu erkennen wie man

auf eine einfache Weise einen NMOS mit einem PMOS auf demselben Substrat erstellen kann. Dies

macht die CMOS Technologie besonders nützlich.

Fig. 29 Querschnitt eines NMOS und PMOS auf demselben Substrat.

Der MOSFET Verstärker

Auf dieselbe Art des JFET, kann ein MOSFET als Verstärker (Fig. 30) eingesetzt werden. Hierbei wird ein

Anreicherungstyp NMOS eingesetzt. Das Gate wird durch die Widerstände R1 und R2 polarisiert. Das

Ausgangssignal ist invertiert, da bei schwacher Spannung am Gate der Transistor blockiert ist und VD

(Vout) ist hoch. Umgekehrt, wenn VG hoch ist, ist der Transistor leitend und die Spannung VD (Vout) ist tief.

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Fig. 30 Anreicherungs NMOS Verstärker

5.4. Zusammenfassung MOSFET

Der MOSFET besitzt einen extrem hohen Widerstand am Gate. Der Strom zwischen Source und Drain

wird durch die Spannung am Gate kontrolliert. Aufgrund des hohen Eingangswiderstands am Gate und der

daraus resultierenden hohen Verstärkung kann der MOSFET sehr schnell durch statische Entladung

beschädigt werden. Daher sollte er richtig abgeschirmt werden. Der MOSFET stellt, aufgrund seines

niedrigen Stromverbrauchs, einen idealen elektronischen Schalter dar. Typische MOSFET Anwendungen

sind Mikrokontroller, Speicherelemente und Logikgatter.

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Art und Symbol Type et symbole

Steuer- und Ausgangskennlinie

Caractéristique d’entrée et de sortie

EN: e

nhan

cem

ent

DE:

Anr

eich

erun

gsty

p FR

: enr

ichi

ssem

ent N

MO

S

PMO

S

EN: d

eple

tion

DE:

Ver

arm

ungs

typ

FR: a

ppau

vris

sem

ent

NM

OS

PMO

S

DOB2 ________________________________________________________________________ 158

Fig. 31 Zusammenfassung der Feldeffekt-Transistoren.

5.5. Vergleich zwischen einem FET und einem bipolaren Transistor

Feldeffekt-Transistoren können in elektronischen Schaltungen bipolare Transistoren ersetzen. Ein

einfacher Vergleich zwischen deren Charakteristiken wird hier aufgelistet:

FET Bipolarer Transistor (BJT) Schwache Verstärkung der Spannung Hohe Verstärkung der Spannung

Hohe Verstärkung des Stroms Schwache Verstärkung des Stroms

Sehr hohe Eingangsimpedanz Schwache Eingangsimpedanz

Hohe Ausgangsimpedanz Schwache Ausgansimpedanz

Generiert wenig Rauschen Generiert mittleres Rauschen

Sehr schnelle Reaktionsgeschwindigkeit Mittlere Reaktionsgeschwindigkeit

Sensibel auf Elektrostatik (ESD) Robust

Spannungsgesteuert Stromgesteuert

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5.6. Referenz:

Englisch: [1] http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_5.html, June 2012

[2] „Electrical Engineering, principles and applications“, 5th edition, Allan R. Hambley, 2011

Französisch: [3] „Principes d'électronique : Cours et exercices corrigés”, A.P. Malvino, 7ème édition, 2008

Deutsch: [4] „Elektronik und Schaltungstechnik“, 2. Auflage, Hanser, 2011

5.7. Vokabular

English

Deutsch

Français

Field effect transistor Feldeffekttransistor Transistor à effet de champ

JFET Sperrschicht-FET JFET

depletion Verarmung/selbstleitend appauvrissement

enhancement Anreichung/selbstsperrend enrichissement

The channel Der Kanal Le canal

The pinched-off voltage Die Abschnür- oder pinch-off-

Spannung Vp

La tension de pincement