Einführung in die Elektronik für Physiker

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1 Hartmut Gemmeke Forschungszentrum Karlsruhe, IPE Tel.: Einführung in die Elektronik für Physiker JFET - MOSFET 11. Feldeffekt-Transistoren Ausgangskennlinie und typische Kenndaten Vergleich der verschiedenen FETs und mit Bipolartransistor Grundschaltungen des FETs: Source-, stromgegengekopplelte Source- Schaltung, Source-Folger (Drainschaltung) Anwendungen des JFETs als steuerbarer Widerstand, Konstantstromquelle Zerstörung des FETs durch elektrostatische Entladung Feldeffekt-Transistor (FET) Leistungslose Steuerung der Leitfähigkeit oder des Querschnitts eines halbleitenden Kanals mit einem elektrischen Feld, Gate-Eingangswiderstand R e! " quadratische Eingangs-Kennlinie I D =I D0 ((U GS -U P )/ U P ) 2, (P = pinch-off = Abschnürung), Raumladungszone (RLZ) im Gegensatz zum Transistor: Steuerelektrode G (Gate entspricht Basis) mit Spannung U GS # steuert Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain (Quelle) entspricht beim Transistor Emitter Kollektor oft symmetrisch gegen Vertauschung von S und D Im Gegensatz zum Transistor unipolar (bezüglich Gate), nur eine Ladungsträgerart bestimmt den Stromfluss d " U GS (Senke) Junction-FET (JFET) oder Sperrschicht-FET (SFET) Isolation durch einen gesperrten pn-übergang Symbol Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 2

2 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor) auch IGFET (insulated Gate FET) genannt Eigenschaften und Kennlinien ähnlich dem Sperrschicht-FET Gate ist durch Metalloxid vom Substrat getrennt, dielektrische Isolation # R e! " # Cave: Reibungs-Elektrizität! Kleinste Ströme, bzw. Ladungen an C gate zerstören FET MOS und JFET s haben große Exemplarstreuung insbesondere von U P Unterschiede zwischen MOS und JFET: Eingangswiderstand R e JFET R e > 10 9 " MOSFET R e > " Die Temperaturabhängigkeit Rauschen: ist geringer als beim Bipolartransistor: JFET hat ein sehr geringes Rauschen => Anwendung in Vorverstärkern du P /dt = -1 mv/k MOSFET: 1/f-Rauschen groß bei $ 100kHz Transistoren 1/f-Rauschen groß bei $ 1kHz, siehe Kap Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 3 bulk MOSFET-Anreicherungstyp n-kanal-anreicherungs-typ (nur für MOSFET und nicht für JFET möglich): positive Gate-Spannung => negative Minoritäts-Ladungsträger werden zur isolierten Gate-Elektrode gezogen => n-kanal zwischen den beiden n-inseln Source und Drain. spannungsloser Zustand oder angelegte negative Gate-Spannung => zwei gegeneinander geschaltete Dioden! selbstsperrend => stromlos Symbol bulk Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 4

3 MOSFET-Verarmungstyp bzw. selbstleitender Depletion MOSFET Auch bei U GS = 0 Strom (wie JFET) U GS > 0 vergrößert den Strom und U GS < 0 verringert den Strom. Der Querschnitt und die Leitfähigkeit des Kanals wird verändert Geringe Gate-Drain Kapazität # HF-Anwendungen bulk Symbol Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 5 Wie funktioniert die Grenzschicht zum Kanal? Eingesperrte Ladungen im SiO 2 können Elektronen im Bereich der Grenzschicht zum Si binden und so einen Kanal ausbilden. In jedem Falle bestimmen sie die pinch-off (Abschnür-) Spannung. Eingesperrte Ladungen bestimmen Rauschen Perspektivische Darstellung eines MOS-FETs Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 6

4 Ausgangskennlinie Selbstleitender FET, U k = Kniespannung Anlaufbereich Abschnürbereich Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 7 Typische Kenndaten von FETs Zur Illustration das weite Spektrum der FET-Daten: Typ BF245B IRF530 Technologie n-kanal Sperrschicht-FET, selbstleitend MOS-FET, selbstsperrend Grenzdaten: Drainstrom I Dmax 25 ma 10 A Gate-Source-Spg. U GSmax -30 V ± 20 V Verlustleistung P max 300 mw 75 W Kenndaten: Schwellenspannung U p -1,5-4,5 V 1,5 3,5 V Drainstrom I DS 6 15 ma 5 A Maximale Steilheit S S 5 ma/v 5 A/V Minimaler Widerstand R DSon 200! 0,14! Max. Gatesperrstrom I Gmax 5 na 0,5 ma Max. Drainsperrstrom I Dmax 10 na 1 ma Eingangskapazität C es 4 pf 750 pf Ausgangskapazität C as 1,6 pf 300 pf Rückwirkungskapazität C rs 1,1 pf 50 pf Rauschen F 1,5 db Steilheitsgrenzfrequenz f S 700 MHz Einschaltverzögerung t on 30 ns Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 8

5 Überblick über die verschiedenen FET-Typen Beim Mosfet sind Source und Bulk zumeist verbunden: Bulk-Kanal- Diode ist gesperrt!!! Selbstleitende FET s für U GS = 0 Symbol mit && selbstsperrende FET s mit - - -! Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 9 Vergleich: Bipolartransistor - JFET Prinzipschaltung ohne Gegenkopplung Emitterschaltung Sourceschaltung Exemplarstreuung der Eingangsspannung Exemplarstreuung der Verstärkung U BE = 0,6V!U BE = klein $ max = 2bis 4 $ min ±50mV #U P = 2bis6V!U P =gro$ Smax = 2bis 4 Smin Fertigungstoleranzen für FETs sind größer als für Bipolartransistoren! Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 10

6 Transistor # FET Source-Schaltung I C " I D S = #I C #U BE " S = #I D #U GS I E "I S I B "I G $0 r B "r G $ S r = #I B #U CE "S r = #I G #U DS $0 U CE "U DS r C "r D U " U BE GS & " S ' r $ GS ( ) V = du a = ( di D ' R D u du e du GS = (S ' ( R D ) Z $ R r a D DS I ) D = U P (U, 2 ) GS I + D0 * U. " U = U ' 1( I, + D. P - GS P + I. * D0 - S = #I I D D0 U = 2 P (U GS = 2 #U GS U P U P U P I D 'I D0 di G " 0 di D = S # du GS + 1 # du DS on "50 # 200$ S < 10mA FET V, S BipolarTr 1A V Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung Stromgegenkopplung bei Sourceschaltung Arbeitspunkteinstellung durch Gleichstromgegenkopplung Stromgegenkopplung wird für ' > R S (C S aufgehoben Arbeitspunkt gegeben durch I D und U G =0 V = "U a = #di D $R D = #du GS $S$R D u= "U e du GS +di D $R S du GS $ ( 1+S$R S ) V u= = # S$R D 1+S$R S '>R V = #S $ R u D (R S & Z S C S S (((& 0) z.b.: I D0 = 10 ma, I D = 3 ma, U P = -3V => [ ] [ ] V u= =!1,4" R D k# V u $ =!3,7 "R D k# "U = U GS P # 1$ I ( D 3mA ( ' & I * = $3V #' 1$ * = $1,36V D0 ) & 10mA ) "R S = U GS I D = 1,36V 3mA + 450, S = 2 U P # I D0 #I D = 2 3V # S = "I D "U GS ma 10mA#3mA = 3,7 V Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 12

7 Sourcefolger (Drainschaltung) Verstärkung wie beim Bipolartransistor als Emitterfolger! R S << r D (! 50k"), r G (! 1G") Ersatzschaltbild: Maschenregel: i = S " u = S " (u # u ) = u a D GS e a R $ Vergleich Emitterfolger: # 1 Z = R a E S + R g +r B & $ " ( ' aber 1 # >> 1 S + R g + r B & ( Bipolar Transistor $ " ' S FET V = u a = S" R # u u e 1+S" R # <1 Z e = r G R 1 R 2 ( ) u = 0, u e GS = $u a, i = u a $ S " u = u 1 a R # GS a + S R # Z a = u a R # i a 1+S" R # = 1 S+ 1 = R # 1 S R # Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung Kenngrößen eines Sourcefolgers a) Bestimmung der Spannungsverstärkung v u mit Signalquelle und Oszilloskop, Ausgangsimpedanz aus Belastung mit R L b) Eingangswiderstand aus Sperrstrom der Gate-Diode, die den externen Kondensator C auflädt. Wir messen die Zeit t 20, in der die Ausgangsspannung um 20 steigt, d.h. durch den Leckstrom i e vom Ausgang zum Eingang: u = 0 " u = R # I, und $u = $t # i e e a0 D e 20 C, ($t 20 für $u a0 = 0,2# u a0 ) 0,2#u a0 =v u #$u e v u # i e #$t 20 C # 5 i e " Z =r = u a0 = 5# v # $t 20 e G i u e C Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 14

8 Grundschaltungen des FET Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung Messung der Steuerkennlinie eines JFET s $ U GS = U P " & 1# I ' D I ) D0 ( aus I $ D = U GS #U ' 2 P I & D0 U ) P ( Der benutzte JFET BF145 ist ein n-kanal JFET und darf daher nur mit negativer Gate-Spannung betrieben werden, damit die Gate-Diode gesperrt bleibt! Der Drainstrom I D ergibt sich aus dem Spannungsabfall u y am bekannten Source-Widerstand R S als Funktion von U GS. Damit lassen sich I D0 und U P bestimmen. Die maximale Steilheit S max lässt sich ebenfalls graphisch ablesen und aus der Formel für S=dI D /du GS =S(U GS, I D0, U P ) berechnen. Was ergibt der Vergleich? + 12V u e <0V 10k S = "I D "U GS = 2 U P # G 100 I D0 #I D D S R S ux=u GS u y =R S!i D Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 16

9 JFET als steuerbarer Widerstand Im Anlaufgebiet unterhalb der Kniespannung U K gilt (ohmscher Bereich): U < U = U DS K GS "U P, I = I D0 $ D 2 2# U GS "U 2' & ( P )#U DS "U DS ) U ( P Kanalwiderstand ist nichtlinear: u a = u e " R 1 + = U DS I D = U P 2 ( ) I D0 " 2" ( U St #U P )#U DS min $ U P 2"I D0 für U St = U GS = 0 U = 1 GS ( 2 U St +U DS), wenn R " R >> r 2 3 DS und der quadratische Term in U fällt heraus DS I = I 2 ( D0 & U D U 2 ( St +U DS )#U DS $2U P #U DS $U DS ) P ' * = U DS ID = U P 2 I D0 (U St $2U P ) Nach Linearisierung: = I D0 U 2 # ( U St $2U P ) #U DS P Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung Messung der Ausgangskennlinie eines JFETs Schaltung zur oszilloskopischen Darstellung der Ausgangskennlinie I D = f(u DS ) für eine konstante Steuerspannung eines JFETs (R 1 =!, R 2 = 0) Der minimale Kanalwiderstand ist zu bestimmen. Wie gross ist und wann wird dieser Wert erreicht? 1 $ U = 2 k " GS 2 #U #U ' 2 & P DS) mit k =I ( D0 /U P Demonstration der Linearitätsverbesserung im Anlaufbereich des FETs (R 1 = R 2 = 1 M") => Der FET als einstellbarer linearer Widerstand für R 1! R 2 1:2-10k R 2 R 1 G U GS 100 D S R S ux=u DS u y =R S!i D Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 18

10 Arbeitspunktauswahl: Verstärkungsregelung mit JFET kleinster Widerstand von FET N 1 bei U GS = 0V und größte Verstärkung von T 1! Um symmetrische Aussteuerung zu ermöglichen, für U GS = 0V U a! 5V mit Basisvorspannung einregeln! -12V Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung JFET als Konstantstromquelle JFET als Konstantstromquelle ohne Hilfsspannung: I D = I D0 1" U 2 # & GS U (, GS I =1" D $ ' U P R S = U GS I D U P = U # P 1" I D $ I D I D 0 & ( ' I D0 µ = S) ist die maximale Verstärkung, weitgehend unabhängig von I D, da S = *I D *U GS + I D und = *U DS *I D +1/ I D in der Nähe der Kniespannung (11.17) z.b.: I D =1mA, I D0 =10 ma, U P = "3V, µ = 200, R S = 3V # 1mA $ 1" = µ /S = 1mA & ( = 2,05 k- 10 ma ' µ ) U P 200 ) 3V = = 95 k- 2 I D 0 ) I D 2 10 ma )1mA Z a = ( 1+ S ) R S ) = + µ ) R S = 95 k ) 2,05 k-. 500k- nach Tietze - Schenk Innenwiderstand von Bipolar und FET Stromquellen für 1mA Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 20

11 Zerstörung von FETs durch elektrost. Entladung Elektrostatische Aufladung von Personen in einer typischen Arbeitsumgebung: Schaltung soll elektrostatische Aufladung von zumindest 2kV überstehen: # Durchbruch des Gateoxyds oder # Überhitzung der Leiterbahnen FET human body model Eingangswiderstand R e der Schaltung sehr groß und Kapazität C e sehr klein: Q = U " C Body = 2000 V "1,510 #10 F = 310 #7 C $ = R Haut " C Body =1,5 k"150 pf = 2,2510 #7 s I = Q/$ &1,5A Lösung: Schutzdioden Schutz gegen ESD* am Arbeitsplatz * Electrostatic discharge 2kV 1,5k" 150pF Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 21