5. Der Feldeffekt

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:

V
I D = I DSS 1 − GS
 VGS off





2
Und bei bekanntem Strom ID und Drain-Source Spannung VDS, kann der Widerstand berechnet werden:
R DS =
∂VDS
∂I D
Alle Gleichungen welche die verschiedenen Zonen des JFET beschreiben werden auf Fig. 11 dargestellt.
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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:
Vs = I D R S =
VDD
4
Nachdem der Strom im Drain gewählt wurde, kann der Wert des Source-Widerstandes RS berechnet
werden.
Vs = VG − VGS
ID =
Vs VG − VGS
=
RS
RS
Da der Strom am Gate null ist, kann die Spannung direkt durch folgende Formel berechnet werden:
 R2
VG = 
 R1 + R 2

VDD

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:
I G = 0 ⇒ I D = IS
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.
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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
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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:
R DS =
∂VDS
1
=
∂I D
2K (VGS − Vth )
2
Wobei K den Parameter des Übertragungswirkleitwerts in [A/V ] 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 ________________________________________________________________________ 148
V 

I D = 2KVDS  VGS − Vth − DS 
2 

Daraus entspring der maximalen Strom wenn:
∂I D
=0
∂VDS
Das bedeutet:
∂I D
= 2K (VGS − Vth ) − 2KVDS = 0
∂VDS
Oder:
VDS = (VGS − Vth ) = VDS Sat
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:
I D Sat = K (VGS − Vth )
2
In dieser Zone ist der Strom unabhängig von VDS. Die gesamte Charakteristik des MOSFET wird in Fig. 21
zusammengefasst.
DOB2 ________________________________________________________________________ 149
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.
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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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ID
ID=VDD/RL
ID=VDS/RDS(ON)
VGS=VDD
A
Droite de travail
Arbeitsgerade
B
VDD
VDS
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.
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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:
P = V ⋅ ID ⇒ ID =
P 24
=
= 4A
V 6
Die Verlustleistung über dem MOSFET wird gegeben durch:
PD = I D ⋅ R DS = 4 2 ⋅ 0.1 = 1.6 W
2
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):
R DS ( on ) =
VDS
ID
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:
DOB2 ________________________________________________________________________ 154
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.
DOB2 ________________________________________________________________________ 155
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.
DOB2 ________________________________________________________________________ 156
Steuer- und Ausgangskennlinie
Type et symbole
Caractéristique d’entrée et de sortie
DE: Anreicherungstyp
FR: enrichissement
DE: Verarmungstyp
FR: appauvrissement
PMOS
NMOS
PMOS
EN: enhancement
EN: depletion
NMOS
Art und Symbol
DOB2 ________________________________________________________________________ 157
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
DOB2 ________________________________________________________________________ 158
5.6. Referenz:
Englisch:
[1] http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_5.html, June 2012
th
[2] „Electrical Engineering, principles and applications“, 5 edition, Allan R. Hambley, 2011
ème
Französisch: [3] „Principes d'électronique : Cours et exercices corrigés”, A.P. Malvino, 7
Deutsch:
édition, 2008
[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-
La tension de pincement
Spannung Vp
DOB2 ________________________________________________________________________ 159