Was ist ein FET?
Ein FET (Feldeffekttransistor) ist ein Halbleiterbauelement, das den zwischen Source und Drain fließenden Strom ändert, indem es eine Spannung an die Gate-Elektrode anlegt und den Fluss der Elektronen oder Löcher durch das elektrische Feld im Kanal steuert.
Wie bipolare Transistoren haben FETs drei Elektroden: Der Anschluss, der der Basis entspricht, ist das Gate und der Anschluss, der dem Kollektor entspricht, ist der Drain. Der Anschluss, der dem Emitter entspricht, ist die Source.
Anwendungen von FETs
FETs werden in einer Vielzahl von Schaltkreisen eingesetzt. In digitalen Schaltungen werden sie als Elemente von Logikschaltungen verwendet. In analogen Schaltungen werden sie neben allgemeinen Verstärkern auch häufig in analogen Schaltern und elektronischen Lautstärkeschaltungen eingesetzt.
MOSFETs eignen sich besonders gut für integrierte Schaltungen, da sie nicht nur einen sehr niedrigen Gatestrom aufweisen, sondern auch planar aufgebaut sind, was den Herstellungsprozess vereinfacht und den Stromverbrauch im Vergleich zu bipolaren Transistoren verringert. Große digitale integrierte Schaltungen wie z. B. Mikrocontroller bestehen häufig aus MOSFETs.
Im Bereich der Leistungselektronik, z. B. in Stromversorgungen, werden FETs aufgrund ihres geringen Durchlasswiderstands und ihrer schnellen Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit auch als Stromschaltelemente eingesetzt.
Funktionsweise von FETs
Die Funktionsweisen von JFETs und MOSFETs sind unterschiedlich. Im Folgenden wird der N-Kanal-Typ als Beispiel beschrieben, aber auch der P-Kanal-Typ kann auf die gleiche Weise gehandhabt werden, indem die Polarität der an jede Elektrode angelegten Spannung umgekehrt wird:
1. JFET
Beim N-Kanal-Typ, bei dem die Drain- und Source-Elektroden des N-Typ-Halbleiters mit der Gate-Elektrode des P-Typ-Halbleiters verbunden sind, breitet sich im N-Typ-Bereich eine Verarmungsschicht aus, wenn an den PN-Übergang zwischen den Gate- und Source-Elektroden eine Sperrspannung VGS (die Gate-Elektrodenseite ist negativ) angelegt wird. Da sich in der Verarmungsschicht keine Ladungsträger befinden, verengt sich die Breite des Stromflusses (Kanal) im N-Typ-Bereich und der vom Drain zur Source fließende Strom ID nimmt ab.
Auf der Grundlage dieses Prinzips kann ID durch Änderung der Höhe von VGS gesteuert werden. Man beachte, dass bei dieser Anwendung der Gate-Strom aufgrund der inversen Methodenspannung zwischen Gate und Source kaum fließt. Dies bedeutet, dass die Eingangsimpedanz groß ist.
2. MOSFET
MOS steht für Metal-Oxide-Semiconductor (Metall-Oxid-Halbleiter) und hat eine dreischichtige Struktur mit einem Oxidfilm als Isolierschicht auf einem Basis-Halbleiter und einem Metall als Elektrode auf diesem. Wie im vorigen Abschnitt erwähnt, gibt es zwei Arten von MOSFETs: Anreicherungs- und Verarmungs-MOSFETs.
Bei einem N-Kanal-MOSFET vom Typ Anreicherungs-MOSFET mit zwei N-Halbleiterbereichen in einem P-Halbleiter, die jeweils über einen eigenen Drain und eine eigene Source verfügen, sind Drain und Source vor dem Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode N-P-N, so dass kein Strom zwischen ihnen fließt. Wird jedoch eine positive Spannung an die Gate-Elektrode angelegt, sammeln sich negative Ladungen auf der Unterseite der Gate-Elektrode durch die Isolierschicht (Oxidfilm) hindurch und bilden eine dünne Schicht von N-Halbleitern, wodurch die Drain-Source-Grenzfläche zu einem N-N-N-Halbleiter wird, d. h. zu einem kontinuierlichen N-Halbleiter, durch den Strom fließen kann.
Die unter dem Gate gebildete Schicht aus N-Typ-Halbleitern wird als „Kanal“ bezeichnet, die Dicke des Kanals variiert mit der zwischen Gate und Source angelegten Spannung VGS und der von Source zu Drain fließende Strom ID entsprechend der Dicke des Kanals. Mit anderen Worten: ID kann durch den Wert von VGS gesteuert werden. Da die Gate-Elektrode nur mit der Isolationsschicht in Kontakt ist, können außerdem nur sehr geringe Leckströme fließen. Dies bedeutet, dass die Eingangsimpedanz extrem groß ist.
Beim Enhanced-Typ fließt kein Strom zum Drain, wenn VGS = 0 ist, wie oben beschrieben, aber beim Depletion-Typ wird im Voraus ein dünner Kanal zwischen Drain und Source gebildet, so dass Strom zum Drain fließen kann, wenn VGS = 0 ist. Daher ist ein FET vom Verarmungstyp leicht als Verstärkerschaltung zu verwenden, da der Drain-Strom auch dann fließt, wenn der an die Gate-Elektrode angelegte Signalpegel sehr klein ist.
Arten von FETs
FETs werden nach ihrer Struktur in Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) und Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (MOS-FETs) eingeteilt, die im Schaltplan durch unterschiedliche Schaltzeichen gekennzeichnet sind. Es gibt auch P-Kanal-Typen, bei denen zwei P-Typ-Halbleiterbereiche gebildet und in eine N-Typ-Halbleiterbasis eingebettet sind und N-Kanal-Typen, bei denen zwei N-Typ-Halbleiterbereiche in einer P-Typ-Halbleiterbasis gebildet sind, die für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden.
Darüber hinaus gibt es bei MOSFETs zwei Typen: den Anreicherungstyp, bei dem kein Strom zwischen Source und Drain fließt, wenn keine Spannung zwischen Gate und Source angelegt wird und den Verarmungstyp, bei dem ein gewisser Strom fließt, auch wenn Gate und Source auf demselben Potenzial liegen.