Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren
Feldeffekttransistoren sind Halbleiter, die im Gegensatz zu den normalen,
bipolaren Transistoren mit einem elektrischen Feld, d.h. leistungslos gesteuert
werden.
1 Klassifikation
Man unterscheidet sechs verschiedene Typen von Feldeffekttransistoren
(Abkürzung „Fet“).Das Gate G ist die Steuerelektrode. Mit ihm läßt sich der
Widerstand zwischen Drain D und Source S steuern. Die Steuerspannung ist
UGS. Viele Fets sind symmetrisch, d.h. sie ändern ihre Eigenschaften nicht,
wenn man S und D vertauscht. Bei Sperrschichtfets ist das Gate durch einen pnbzw. np- Übergang vom Kanal DS getrennt. Bei richtiger Polung von UGS sperrt
diese Diode und isoliert das Gate; bei umgekehrter Polung wird sie leitend. Bei
Mosfets isoliert eine dünne SiO2-Schicht das Gate vom Kanal DS. Daher kann
bei ihnen nie ein Gatestrom fließen, unabhängig von der Polung des Gates. Die
im Betrieb auftretenden Gateströme liegen bei Sperrschichtfets zwischen 1 pA
und 1 nA; bei Kleinsignal-Mosfets sind sie zum Teil sogar noch kleiner. Damit
verbunden sind Eingangswiderstände von 1010 bis 1013 Ω.
Genauso wie es pnp- und npn- Transistoren gibt, gibt es auch p- und nKanal-Fets. Bei den n-Kanal-Fets wird der Kanalstrom um so kleiner, je weiter
das Gatepotential sinkt. Umgekehrt ist es bei p-Kanal-Fets. Dies erkennt man
auch an den Kennlinien. Der Übersichtlichkeit der Darstellung wegen
verwenden wir im folgenden n-Kanal-Fets und setzen p-Kanal-Fets nur dann
ein, wenn ein besonderer Anlaß dafür gegeben ist. n-Kanal-Fets lassen sich
durch p-Kanal-Fets ersetzen, wenn man die Betriebsspannungen der Schaltung
umpolt. Eventuell vorhandene Dioden und Elektrolytkondensatoren müssen
dann natürlich ebenfalls umgepolt werden.
Bei Sperrschichtfets fließt der größte Drainstrom bei der Spannung UDS =
0. Sie werden daher als selbstleitend bezeichnet. Dasselbe Verhalten zeigen die
Depletion-Mosfets. - Enhancement-Mosfets sperren dagegen bei UGS gleich
Null. Wir nennen sie daher selbstsperrend. Ein Drainstrom fließt bei n-Kanalenhancement-Mosfets erst, wenn UGS einen bestimmten positiven Wert
überschreitet. Zwischen Enhancement- und Depletion-Mosfets gibt es
Übergangstypen, z.B. auch solche, bei denen bei UGS = 0 ein mittlerer
Drainstrom fließt.
Bei Mosfets ist häufig ein vierter Anschluß, das Substrat (Bulk B),
herausgeführt. Diese Elektrode hat ähnlich steuernde Wirkung wie das Gate. Sie
ist jedoch nur durch eine Sperrschicht vom Kanal isoliert. Im allgemeinen nützt
man ihre Steuerwirkung nicht aus und verbindet sie mit der Sourceelektrode.
Benötigt man zwei Steuerelektroden, verwendet man Mosfet-Tetroden, die zwei
gleichberechtigte Gates besitzen.
Bei n-Kanal-Fets ist die Sourceelektrode auf negativeres Potential zu
legen als die Drainelektrode; bei Umpolung übernimmt die Drainelektrode die
Funktion der Sourceelektrode. Bei n-Kanal-Fets wirkt also jeweils die
Kanalelektrode mit dem niedrigeren Potential als Source.
2 Grundschaltungen
In Analogie zu den bipolaren Transistoren unterscheidet man Source-,
Drain- und Gateschaltung, je nachdem, welche Elektrode auf konstantem
Potential liegt.
2.1 Sourceschaltung
Die Sourceschaltung entspricht der Emitterschaltung bei bipolaren
Transistoren. Der Unterschied besteht darin, daß die Gate-Kanal-Diode in
Sperrichtung betrieben wird. Daher fließt praktisch kein Eingangsstrom, und
der Eingangswiderstand ist sehr hoch. Durch Vergleich der Kennlinienfelder
und Kleinsignalparameter erhält man folgende Korrespondenz:
IC → ID
IE → IS
IB → IG ≈ 0
UCE → UDS
UBE → UGS
S→S
Sr → Sr ≈ 0
rBE → rGS ≈ ∞
rCE → rDS
β → S rGS ≈ ∞
A = - S (RD||rDS) .
Daraus folgt für den Grenzübergang RD >> rDS die Maximalverstärkung
A = - S rDS = - µ .
Sie ist im Bereich
0,1IDS < ID < IDS
nur wenig vom Drainstrom abhängig und liegt bei n-Kanal-Fets zwischen 100
und 300. Bei p-Kanal-Fets ist sie nur halb so groß. Die Maximalverstärkung
von Fets beträgt also nur ungefähr ein Zehntel der Maximalverstärkung von
Bipolartransistoren.
Der Klirrfaktor ist wie beim Bipolartransistor proportional zur
Eingangsamplitude, jedoch abhängig vom Arbeitspunkt. Er nimmt umgekehrt
proportional zu I DA ab.
Wenn er 1% nicht überschreiten soll, muß die Eingangsamplitude U$ e
unter 66 mV bleiben. Bei einer Spannungsverstärkung von 20 entspricht dies
einer max. Ausgangsamplitude von 1,3 V. Das ist wesentlich mehr, als man mit
Bipolartransistoren in der entsprechenden Schaltung erreichen kann.
Bezüglich des Rauschens besteht ein signifikanter Unterschied zwischen
Feldeffekt- und Bipolartransistoren darin, daß der Rauschstrom bei Fets sehr
viel kleiner ist, während die Rauschspannung bei Sperrschicht-Fets in derselben
Größenordnung liegt.
Bei Mosfets setzt das l/f- Rauschen schon bei Frequenzen um 100kHz
ein. Deshalb rauschen sie im Niederfrequenzbereich sehr viel stärker als
Sperrschicht-Fets. Mosfets eignen sich für rauscharme Schaltungen also nur in
der Hochfrequenztechnik.
2.2 Gateschaltung
Die Gateschaltung wird bei Fets wenig angewendet, weil der hohe GateKanal-Widerstand dabei nicht zur Geltung kommt.
2.3 Drainschaltung, Sourfefolger
Die Drainschaltung besitzt einen höheren Eingangswiderstand als die
Sourceschaltung. Das ist aber im allgemeinen von geringer Bedeutung, weil er
schon in Sourceschaltung sehr hoch ist. Vorteilhaft kann sein, daß die
Eingangskapazität verkleinert wird. Im Unterschied zum Emitterfolger ist der
Ausgangswiderstand des Sourcefolgers unabhängig vom Innenwiderstand Rg
der Signalquelle.
1. Übung:
Messen der Steuerkennlinie und des
Ausgangskennlinienfeldes eines n-Kanal J-FET
verw. Typ:
BF245, UDS = 5,10,15V
1.1 Meßschaltung:
D
+
10k
-
UDS
=
G
-
S
=
UGS
+
1.2 Meßtabelle für Steuerkennlinie:
UDS = 5V:
UGS [V]
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
UDS = 10V:
ID [A]
12,5m
8,2m
4,8m
2,1m
0,4m
0,26µ
0
UGS [V]
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
UDS = 15V:
ID [A]
12,7m
8,7m
5,2m
2,4m
0,6m
0,56µ
0
UGS [V]
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
ID [A]
12,7m
8,5m
5,2m
2,6m
0,6m
0,6µ
0
1.3 Meßtabelle für Ausgangskennlinienfeld:
UGS = 0V:
UDS [V]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
UGS = -1V: UGS = -2V: UGS = -3V: UGS = -4V:
ID [mA]
0
5,4
9
11
12
12,4
12,7
12,8
13
13
13
2. Übung:
ID [mA]
0
4,1
6,4
7,5
8,3
8,4
8,5
8,6
8,7
8,7
8,7
ID [mA]
0
2,8
4
4,5
4,7
4,9
5
5,1
5,2
5,2
5,2
ID [mA]
0
1.45
1,85
2,1
2,13
2,3
2,4
2,47
2,5
2,5
2,5
Dimmensionierung einer Verstärkerschaltung
geforderte Daten:
UDS = 5V
Ub = 12V
RG = 1MΩ
fg = 30Hz
2.1 Meßschaltung:
RD
1k0
C2
C1
ue
ID [mA]
0
0.25
0,3
0,35
0,37
0,42
0,5
0,55
0,53
0,53
0,53
∼
UA
RG
1M0
RS
270R
ua
2.2 Schaltungsberechnung:
S=
dI D _ AP
dU GS _ AP
U AP =
RD =
RS =
=
11,5mA
= 3,38mS
3,4V
U b 12V
=
= 6V
2
2
U b − U AP 12V − 6V
=
= 1kΩ
6mA
I D _ AP
U GS _ AP
I D _ AP
Aber . = −
=
1,65V
= 275Ω ⇒ 270Ωgew.
6m
RD
1
+ RS
S
=−
1kΩ
1
+ 270Ω
3,38mS
= − 1,77
C1 =
1
1
=
= 5,3nF ⇒ 4,7nFgew.
RG ⋅ ω g 1MΩ ⋅ 2π ⋅ 30Hz
C2 =
1
1
=
= 5,3µF ⇒ 4,7 µFgew.
RD ⋅ ω g 1kΩ ⋅ 2π ⋅ 30 Hz
2.3 Gemessene Werte der Verstärkerschaltung:
ue = 1Vs
ua = 2.3Vs
Agem. = −
ID = 6,9mA
UAP = 5V
ua
2,3V
=−
= − 2 ,3
ue
1V