13 Der Feldeffekttransistor (FET)
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- Markus Braun
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1 13 er Feldeffekttransistor (FET) 13.1 Allgemeines / rundprinzip * FET Halbleiterbauelement, bei dem der Ladungsträgerstrom in einem tromkanal durch ein elektrisches Querfeld gesteuert wird * Zwei mögliche Wirkungsprinzipien - teuerung des Kanalquerschnitts - teuerung der Leitfähigkeit des tromkanals * Prinzipieller Aufbau - rundelement des FET ist ein dünner dotierter Halbleiterkristall mit elektrischen Anschlüssen an den beiden Enden - ie äußeren Anschlüsse werden rain () und ource () genannt - Legt man eine pannung U zwischen die rain- und ource-anschlüsse, so fließt trom in einem gesteuerten tromkanal (rainstrom I ). - ie teuerung des Querschnitts bzw. der Leitfähigkeit des tromkanals erfolgt durch ein Querfeld - Eine dritte Elektrode dient zur Aufprägung des Querfeldes - ie dritte Elektrode (teuerelektrode) wird ate () genannt - ie ate-elektrode ist gegenüber dem tromkanal isoliert. Hierzu gibt es zwei Varianten:. Trennung durch gesperrten pn-übergang Bezeichnungen: perrschicht-fet junction FET (J-FET). Trennung durch Isolierschicht (z.b. io 2 ) Bezeichnungen: isolated ate FET (I-FET) 13.2 perrschicht-fet metall-isolator-semiconductor-fet (MI-FET) metall-oxid-semiconductor-fet (MO-FET) Aufbau und Wirkungsprinzip * Aufbau - rundelement des perrschicht-fet ist ein länglicher, einheitlich dotierter Halbleiterkristall (bzw. Kristallbereich), der den tromkanal bildet. Je nach otierung handelt es sich um einen. p-kanal-fet oder. n-kanal-fet - An den Enden des Kristalls/Kristallbereiches sind rain- und ource-anschluss angebracht; an der Längsseite des Kristalls befindet sich die ate-elektrode. 207
2 - Zur Isolierung des ateanschlusses wird beim n-kanal-fet unter der ate-elektrode eine p-dotierte Zone eindiffundiert (beim p-kanal-fet eine n-dotierte atezone). - An den pn-übergängen zwischen atezonen und dem übrigen Kristall bildet sich eine Verarmungszone (Raumladungszone) ohne bewegliche Ladungsträger. - er verbleibende Teil des Kristalls ist leitfähig und bildet den tromkanal. l Abbildung 13-1 Aufbau des J-FET ource n-kanal b rain * Wirkungsprinzip p-dotierte atezonen Beim perrschicht-fet wird durch ein Querfeld die Ausdehnung der Verarmungszone (Raumladungszone) unter dem ateanschluss und damit der Querschnitt des tromkanals gesteuert. ate Raumladungs- Zonen * chaltzeichen Abbildung 13-2 chaltzeichen des J-FET n-kanal-fet p-kanal-fet Einfluss der Kanalspannung auf die Kennlinie Für die iskussion des Einflusses der Kanalspannung U wird die Funktion bei kurzgeschlossener ate-ourcestrecke (U 0) betrachtet - ie Polarität der pannung U wird beim perrschicht-fet so gewählt, dass der pn- Übergang zwischen ate und tromkanal an allen tellen in perrpolung betrieben wird: n-kanal-fet: U > 0 p-kanal-fet: U < 0 Unter dieser Voraussetzung fließt kein atestrom (außer ein kleiner perrstrom) - Aufgrund der äußeren pannung U fließen Ladungsträger vom ource- zum rain- Anschluss. - er tromfluss wird fast ausschließlich von Majoritätsträgern getragen; die Minoritätsträger sind ohne Bedeutung.. n-kanal-fet: Elektronenstrom von ource nach rain. p-kanal-fet: Löcherstrom von ource nach rain - a jeweils nur eine Ladungsträgerart für den tromfluss benötigt wird, wird der FET als unipolarer Transistor bezeichnet. - er Eintritt der Majoritätsträger in den Kristall erfolgt jeweils am ource-anschluss (eswegen die Namensgebung: ource Quelle); die Ladungsträger treten am rain- Anschluss aus dem Kristall aus (eswegen die Namensgebung: rain enke). - Bei symmetrischem Aufbau können ource und rain vertauscht werden. 208
3 Funktion bei kleiner rain-ource-pannung - er tromkanal verhält sich für kleine U wie ein ohmscher Widerstand linearer Kennlinienverlauf für kleine Werte von U - er Widerstand bzw. der Leitwert des tromkanals lässt sich für U 0 aus den Abmessungen des tromkanals berechnen: A b d Kanalleitwert für U 0 0 κ e n µ n (n-kanal-fet) l l Legende: e Elementarladung N onatorkonzentration µ n Beweglichkeit der Elektronen b, d, l Kanal-Breite, -icke, -Länge κ Leitfähigkeit e n µ Funktion bei größeren Werten von U - ie pannung U fällt entlang des tromkanals ab. ie perrspannung zwischen ate und tromkanal wächst in Richtung auf den rain-anschluss ie perrschichtweite W ist in rain-nähe größer als in ource-nähe ie Kanalbreite b(x) ist in rain-nähe kleiner als in ource-nähe er tromkanal ist in rain-nähe eingeschnürt Abbildung 13-3 Kanaleinschnürung durch U b(x) - + Raumladungs- Zonen - ie Kanaleinschnürung verstärkt sich mit wachsender rain-ource-pannung er Kanalwiderstand wächst mit zunehmenden Werten von U ie Kennlinie des FET wird flacher - Ab einer bestimmten pannung U sat -U p geht die Kanalbreite in rain-nähe gegen 0 Kanalabschnürung er Kanalstrom nimmt bei weiter steigendem U nicht mehr zu (Ende des ohmschen Kennlinienbereiches) U 209
4 ie Kennlinie geht in den ättigungsbereich über (Kanalstrom I sat ättigungsstrom I ) 0 ( U p ) I 3 linearer Kennlinien-Bereich Abbildung 13-4 Kennlinie des FET für U 0 I I ohmscher Kennlinienbereich ättigungsbereich U Abbildung 13-5 chematische arstellung des Kanals für U 0 -U P U < (-U P ) U (-U P ) U > (-U P ) teuerung über das ate - ie Ausdehnung der Verarmungszone unter dem ate lässt sich durch eine perrspannung U am ate zusätzlich steuern Abbildung 13-6 teuerung des tromkanals über das ate Raumladungs- Zone durch U U Raumladungs- Zone durch U - Bei anliegender perrspannung wird der freie Querschnitt des tromkanals weiter eingeengt er Kanalwiderstand wird größer. er Kanalstrom wird kleiner. ie Abschnürspannung verkleinert sich U sat U - U p U er ättigungsstrom nimmt ab Isat 2 U I 1 U p Für U ist der tromkanal unabhängig von U auf jeden Fall gesperrt Up (U P pinch-off -pannung) 210
5 ie Kennlinien des perrschicht-fet Abbildung 13-7 Ausgangskennlinien des perrschicht-fet (1) I I U sat (-U P )+U U 0 U U P /4 U U P /2 U 3U P /4 0 -U P U - urch die ate-ource-pannung lässt sich der Kanalwiderstand bei kleinen U steuern. Für kleine U ist der perrschicht-fet ein regelbarer Widerstand Abbildung 13-8 perrschicht-fet als steuerbarer Widerstand -0,5V I 0 U P /4 U P /2 3U P /4 U P 0,5V U U - Aus dem Ausgangskennlinienfeld lassen sich die teuerkennlinien ableiten Abbildung 13-9 ie teuerkennlinie des J-FET pannungs- teuerkennlinie (U konst.) I I -U /V 0 0,5 U P U /V ,0 1,5 U /V (1) Im ättigungsbereich weichen die tatsächlichen Kennlinien von dem hier gezeichneten Idealverlauf ab, sie steigen mit zunehmender rain-ource-pannung wegen Verkürzung des tromkanales leicht an. ie teigung ist so, dass sich die Verlängerungen des ättigungsteils aller Kennlinien im Punkt -U A (Early-pannung) schneiden. 211
6 Abbildung Arbeits-pannungs-teuerkennlinie des J-FET Arbeits-pannungs- teuerkennlinie für U f(r +R ) I -U /V 0 0,25 0,5 R +R 0,75 1 U /V U P ,5 U /V 13.3 I-FET (isolated gate) * Wirkungsprinzip Beim I-FET wird die Leitfähigkeit des tromkanals durch ein elektrisches Querfeld gesteuert. * Typen Es kommen zwei Typen zum Einsatz - Anreicherungstyp. Transistor ist gesperrt bei U 0. Leitfähigkeit des tromkanals durch Anlegen einer ate-ource-pannung - Verarmungstyp. Transistor ist leitend bei U 0. perren des Transistors durch Anlegen einer ate-ource-pannung Anreicherungstyp Aufbau Abbildung Prinzipieller Aufbau des I-FET (z.b. n-kanal-mo-fet) ource isoliertes ate rain io 2- Isolation n + n + Raumladungszonen der pn-übergänge p eindiffundierte ource- und rain- Zonen Bulk p-ubstrat 212
7 er Aufbau des I-FET vom Anreicherungstyp wird am Beispiel eines n-kanal-fet erläutert: - In eine dünne p-dotierte Halbleiterscheibe werden von einer eite zwei n + -Zonen eindiffundiert - ie beiden n + -Zonen werden mit Anschlussdrähten versehen und bilden ource und rain des FET - ie restliche Kristalloberfläche wird mit einer dünnen elektrisch isolierenden chicht (Oxid-chicht) abgedeckt. - Zwischen den ource- und rain-anschlüssen wird -durch die dünne Oxidschicht vom p-leitenden Kristall isoliert- eine flächige ate-elektrode angebracht. - as p-leitende ubstrat wird (z.b. auf der Unterseite des Kristalls) elektrisch kontaktiert (sog. bulk-anschluss) und (meistens) mit dem ource-anschluss verbunden Funktionsweise - ie beiden eindiffundierten n + -Zonen bilden mit dem p-leitenden Kristall zwei pn- Übergänge, an denen sich jeweils eine Raumladungszone ausbildet ( Abbildung 13-11). - Legt man eine positive pannung an die ate-ource-trecke, so werden die Löcher (Majoritätsträger) im p-dotierten ubstrat von der isolierten ate-elektrode abgestoßen und ins Kristallinnere zurückgedrängt Unmittelbar unter der ate-elektrode bildet sich eine Zone weitgehend ohne Majoritätsträger (Verarmungszone/Raumladungszone) Es hat sich damit eine durchgehende Raumladungszone von ource bis rain gebildet (Abbildung 13-12). U - + Abbildung Verarmungszone unter dem ate n + n + p - Wegen der fehlenden Majoritätsträger (Löcher) können die aus der Eigenleitung stammenden Minoritätsträger (Elektronen) nicht rekombinieren. Ihre Konzentration in der Raumladungszone unter dem ate steigt daher stark an. - urch das positive Potential am ate-anschluss werden die Elektronen vom ate angezogen; wegen der isolierenden Oxidschicht zwischen ateelektrode und Halbleiterkristall können sie jedoch nicht zum ate abfließen und sammeln sich unmittelbar unter der Oxidschicht Innerhalb der von ource bis rain durchgehenden Verarmungszone bildet sich eine Anreicherung freier Elektronen, also ein leitfähiger Kanal. ieser verbindet die n- leitenden ource- und rain-zonen miteinander (Abbildung 13-13). a sich ein Kanal mit freien Elektronen (n-kanal) im p-dotierten Halbleitermaterial gebildet hat, spricht man vom Inversionskanal. B 213
8 U - + Inversionskanal Abbildung Inversionskanal n n + p Raumladungszone durch Ladungstrennung - urch die durchgehende Raumladungszone (Verarmungszone) ist der leitfähige Inversionskanal vom restlichen Halbleiterkristall isoliert. - Legt man zusätzlich eine pannung U an die rain-ource-trecke, so fließt ein Elektronenstrom im Inversionskanal von ource nach rain. - + Abbildung tromfluss im Inversionskanal - + U U n + n + p - urch die röße der pannung U lässt sich die Konzentration der Elektronen im Inversionskanal steuern Mit dem von U erzeugten Querfeld wird also die Leitfähigkeit des tromkanals gesteuert. - a der beschriebene Transistor ohne atespannung nicht leitet, spricht man von einem selbstsperrenden Typ - a zur Erreichung der Leitfähigkeit erst Ladungsträger in einem Kanal angesammelt werden müssen, spricht man vom Anreicherungstyp Kennlinien und chaltzeichen des I-FET vom Anreicherungstyp Abbildung Kennlinien des selbstsperrenden I-FET I I U sat U U T U /V U T U U /V 214
9 - Aus der teuerkennlinie (Abbildung 13-15, links) ist ersichtlich, dass sich ein ausreichender Inversionskanal und damit der tromfluss erst oberhalb einer Einsatzspannung U T0 (trash over voltage) einstellen. - ie Ausgangskennlinien zeigen einen starken Anstieg für U < U U T0. In diesem Bereich reicht der Inversionskanal von der n-dotierten ource-zone bis zur n- dotierten rain-zone. er trom ist annähernd proportional zur pannung U. er Inversionskanal zeigt annähernd ohmsches Verhalten. - ie positive pannung U schwächt die Potentialdifferenz zwischen ate und p- dotiertem ubstrat in rainnähe. Für U U U T0 reicht diese Potentialdifferenz gerade nicht mehr aus, um den Inversionskanal in rain Nähe aufrecht zu erhalten. - Ein weiteres Ansteigen von U führt daher nicht zu einer steigenden pannung über der Inversionszone sondern zum Aufbau einer perrspannung (perrschicht) zwischen dem Ende des Inversionskanals und der rain-zone. - Wegen der nicht mehr ansteigenden pannung über dem Inversionskanal steigt der rainstrom bei weiter wachsendem U nicht mehr an, er hat vielmehr einen ättigungswert erreicht. - ie perrspannung zwischen Inversionskanal und rainzone saugt alle durch den Inversionskanal ankommenden Elektronen (Minoritätsträger) zum rainanschluss ab. ie Ausgangskennlinien zeigen daher für U > U U T0 einen annähernd horizontalen Verlauf. - Ein begrenzter Anstieg im ättigungsbereich der Ausgangskennlinien beruht auf dem Early-Effekt. teigt U auf größere Werte als zur ättigung notwendig, so führt das zu einer größeren Ausdehnung der perrschicht zwischen Inversionskanal und rainzone. ie daraus folgende Verkürzung der Inversionszone ( Reduzierung des Widerstandes) hat einen weiteren Anstieg des ättigungsstromes zur Folge. Abbildung Early-Effekt beim FET I U -U A U Im ättigungsbereich ist die teigung der Ausgangskennlinien so, als gingen sie alle von einem einzigen Punkt auf der pannungsachse (Early-pannung -U A ) aus. Abbildung chaltzeichen des selbstsperrenden I-FET B n-kanal-fet B p-kanal-fet 215
10 Verarmungstyp - urch geeignete Herstellungstechnologie (z.b. Phosphor-Implantation ins Kanalgebiet oder Implantation von positiv geladenen Ionen in die Isolationsschicht unter dem ate jeweils beim n-kanal-mo-fet) wird erreicht, dass sich ein tromkanal bereits ohne anliegende atespannung bildet. - Ein solcher Transistor leitet bei einer ate-ource-pannung U 0. urch eine negative ate-ource-pannung U lässt sich die Konzentration der Elektronen im tromkanal reduzieren und damit die röße des rainstromes steuern. (urch positive atespannungen lässt sich dieser Transistor noch leitfähiger machen, doch ist diese Betriebsart weniger üblich). - a der beschriebene Transistor ohne atespannung leitet, spricht man vom selbstleitenden Typ - a die Ladungsträger zur teuerung des rainstromes aus dem tromkanal verdrängt werden müssen, spricht man vom Verarmungstyp. I I Abbildung Kennlinien des selbstleitenden I-FET U U U Abbildung chaltzeichen des selbstleitenden I-FET B n-kanal-fet B p-kanal-fet Vorteile der I-FET Vorteile gegenüber dem bipolaren Transistor und gegenüber dem perrschicht-fet: - sehr hoher Eingangswiderstand durch das isolierte ate (kein statischer teuerstrom, nur dynamischer teuerstrom) - geringe chaltzeiten. Keine peicherzeit, da keine Überschussladung. Langsame Minoritätsträger-Prozesse entfallen. - Kein 2. urchbruch wegen tromeinschnürung - Positiver Temperaturkoeffizient des Kanalwiderstandes. Kein thermischer Mitkopplungseffekt (kein elbstmord -Effekt). Keine tromteilungsprobleme bei Parallelschaltung (selbsttätige tabilisierung) 216
11 13.4 Übersicht über alle FET-Typen F E T Verarmungstypen Anreicherungstypen J - FET selbstleitend / depletion I - FET selbstleitend / depletion I - FET selbstsperrend / enhancement n-kanal p-kanal n-kanal p-kanal n-kanal p-kanal B B B B t e u e r k e n n l i n i e n A u s g a n g s k e n n l i n i e n 217
12 13.5 aten von Feldeffekt-Transistoren Tabelle 13-1 Typ renzwerte aten ausgewählter Feldeffekt-Transistoren BF245 A/B/C J-FET MO-FET J113 2N4351 B170 pannung ate-rain (J-FET) U - 30 V - 35 V - - pannung ate-ource (J-FET) U - 30 V - 35 V - - atestrom urchlass (J-FET) I 10 ma 50 ma - - rainstrom (MO-FET) I ma 300 ma pannung rain-ource (MO-FET) U V 60 V Verlustleistung P tot 300 mw 360 mw 300 mw 830 mw Typische Kennwerte rain-ource-kurzschlussstrom (J-FET) I 2-6,5 ma / 6-15 ma/ ma Abschnürspannung (J-FET) U P -1, V / -0,5.. -2,5 V / V > 2 ma V - - atestrom (25 C) (J-FET) I -5 na -1 na - - Einsatzspannung (MO-FET) U T V 0, V EIN-Widerstand r on < 100 Ω < 300 Ω 3,5 Ω chaltzeiten EIN/AU 4 ns 100/500 ns 10/10 ns Wärmewiderstand R th 250 K/W 300 K/W teilheit m - renzfrequenz (3 db-abfall von ) f y21s 700 MHz 218
13 13.6 FET als Analogschalter Ein- und Ausschaltbedingungen a der FET keine chwellspannung besitzt und auch bei kleinsten Werten von U leitfähig ist, eignet er sich hervorragend als Analogschalter. Beim Betrieb als chalter werden die zwei Zustände leitend (EIN, ON) und gesperrt (AU, OFF) benötigt. Zwischenzustände sollen nicht auftreten. Um den J-FET zu sperren, muss zwischen der ate-zone und dem tromkanal an allen tellen eine perrspannung anliegen, die betragsmäßig größer als die pinch-off-pannung U p ist. ies ist nur dann sichergestellt, wenn sowohl u als auch u größer als U p sind. FET gesperrt für u > U p UN u > U p Um den J-FET leitend zu machen, muss die pannung zwischen atezone und tromkanal an einem Ende des tromkanals gleich 0 (oder größer 0, d.h. Flusspolung) sein. ies kann sowohl am source- wie auch am drain-seitigen Ende des tromkanals sein. FET leitend für u 0 OER u 0 (OER Flusspolung einer der pannungen) rundschaltung eines FET-Analogschalters Abbildung rundschaltung eines FET-Analogschalters R i u I R u Q R L u u st u u st u Q t t t er FET verbindet die ignalquelle (pannung u I ) mit einer Last (Lastspannung u Q ). Mit Hilfe des teuersignales u st kann der FET leitend oder gesperrt werden. Beispiel chaltungsdaten: -10V u I +10V R i 100 Ω R L 10 kω R 100 kω U p -4V r on 50 Ω 219
14 a) u st -15V FET-chalter offen (sperrt) u u st min u I min 15V ( 10V) 5V 5V min u ust min u I max 15V 10V 25V 25V max u ist immer größer als U p. er FET ist daher ständig gesperrt. b) u st +15V FET-chalter geschlossen (leitet) u st > u I u > 0 er FET ist ständig leitend. u Q u I Nachteil der rundschaltung: ie ate-ource-trecke des FET wird im ON-Betrieb in urchlassrichtung betrieben. Es fließt ein ate-trom (ie röße des atestromes muss begrenzt werden). er ate-trom führt zu ignalverfälschungen. Berechnung des ate-tromes: i u st u I u F mit u F urchlassspannung der ate-perrschicht R 15V 10V 0,6V I 44µ A min 100kΩ 15V ( 10V) 0,6V I 244µ A max 100kΩ Fehlerrechnung a) Fehler durch den atestrom: Für die Fehlerrechnung wird vereinfachend davon ausgegangen, dass der Fehlerstrom ( atestrom) am source-seitigen Ende der ate-kanal-perrschicht eingespeist wird. i Abbildung Ersatzschaltung zur Berechnung der Fehlerspannung durch i u R i u I r on u Q R L 220
15 er maximale Fehler der Eingangsspannung u I ergibt sich zu U I Fmax I max [R i //(r on + R der maximale Fehler der Ausgangsspannung zu L )] 244µ A [100Ω //(50Ω + 10kΩ)] 24,16mV R 10k U U L Ω Q 24,16mV 24,04mV Fmax I Fmax R L + r 10kΩ + 50Ω on Nimmt man an, dass der atestrom am drain-seitigen Ende des tromkanals eingespeist wird, so ergibt sich ein maximaler Fehler der Ausgangsspannung zu: U QFmax I max [(R i + r on ) // R L ] 244µ A [(100Ω + 50Ω) //10kΩ] 36mV a der atestrom irgendwo zwischen source- und drain-seitigem Ende des tromkanals einfließt, wird der tatsächliche maximale Fehler zwischen diesen beiden Werten liegen. b) Fehler durch r on Für die Ausgangsspannung sollte gelten u Q u I R L Tatsächlich gilt jedoch u Q u I u I (1 + f ) R + r er relative Fehler f beträgt: L R L f R L + r on on r on 1 R L + r on Für R L >> r on gilt er absolute Fehler beträgt: f r on R L r z.b. on 50Ω f 0,5% R 10kΩ u Q F L f u I z.b. u Q F 0,5% 10V 50mV Verbesserter FET-Analogschalter Abbildung zeigt einen FET-Analogschalter, bei dem der urchlassbetrieb des ate- Kanal-Übergangs vermieden wird. Abbildung FET-Analogschalter R i R i u u I R A u st u Q R L u u I R u st B u Q R L 221
16 perren des Analogschalters: ie negative teuerspannung wird über eine iode an das ate des FET geführt. Es gilt u u st + u F - u I mit u F urchlassspannung der iode. Über den hochohmigen Widerstand R wird am Eingang (Variante A) oder am Ausgang (Variante B) ein kleiner trom entnommen. Öffnen des Analogschalters: Bei positiver teuerspannung trennt die iode den FET von der teuerspannung. as ate wird über den Widerstand R stromlos auf ourcepotential (Variante A) oder auf rainpotential (Variante B) gezogen. Im EIN-Zustand des FET werden weder Eingangs- noch Ausgangssignal durch die teuerspannung verfälscht. ie Verfälschung des Ausgangssignals durch den Widerstand r on berechnet sich ebenso wie bei der rundschaltung nach Abschnitt Nachteil von chaltungsvariante A: Im AU-Zustand des Analogschalters wird das Eingangssignal u I durch den über R zur teuerspannung fließenden trom i verfälscht. u R u I u F u st Es gilt u I F i R i mit i R R Eine Verfälschung von u i bei offenem Analogschalter stört allerdings häufig nicht. Nachteil von chaltungsvariante B: Im AU-Zustand des Analogschalters wird das Ausgangssignal u Q durch den über R zur teuerspannung fließenden trom verfälscht. Es gilt u Q F mit i R L u R i R u F ust R + R L Eine Verfälschung von u Q bei offenem Analogschalter stört häufig, z.b. beim FET- Analogschalter in einer sample-hold-chaltung. chaltungsvariante B ist daher in der Regel nicht zu empfehlen egentakt-fet-analogschalter Mit zwei komplementären FET (ein n-kanal-fet und ein p-kanal-fet) lässt sich ein egentakt-analogschalter aufbauen. FET1 Abbildung egentakt-analogschalter R i u u I FET2 u Q R L u st 222 FET2 schließt den Ausgang kurz, wenn FET1 gesperrt ist. Ist FET1 leitend, so wird FET2 gesperrt. ie teuerspannung muss so gewählt werden, dass für beide Transistoren die Ein- und Ausschaltbedingungen erfüllt werden.
17 13.7 Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET) Zur Einstellung eines konstanten rainstromes am J-FET sind mehrere chaltungsvarianten möglich. Mit diesen chaltungen lässt sich auch der Arbeitspunkt des FET z.b. für einen W-Verstärker einstellen. * chaltung I ie erforderliche ate-ource-pannung wird aus einer eigenen pannungsquelle erzeugt. Abbildung Einstellung von U mittels pannungsquelle im teuerkreis FET 2 I I J-FET FET 1 AP2 U AP1 U V U U U -U V Es gilt U -U V. Es stellt sich der trom I f(u ) f(-u V ) ein; seine röße ergibt sich aus der teuerkennlinie. ie tabilität des Arbeitspunktes ist gering. Abbildung zeigt den großen Unterschied im Arbeitspunkt für zwei J-FET- Exemplare mit unterschiedlichen teuerkennlinien. * chaltung II er rainstrom wird durch tromgegenkopplung mittels ource-widerstand eingestellt. Abbildung Einstellung des rainstromes durch ource-widerstand U R FET 2 FET 1 I U J-FET U 0 R R +R AP2 AP1 R U U -U 0 -U 0 U 223
18 -U und UR U 0 sind gleich groß. ie Kennlinie des Widerstandes R kann daher in das teuerkennlinienfeld des FET eingezeichnet werden. er chnittpunkt mit der teuerkennlinie ergibt den Arbeitspunkt des FET. U0 U Es stellt sich damit automatisch der trom I ein. R R Zur imensionierung des ourcewiderstandes R markiert man den Arbeitspunkt für den erwünschten rainstrom I auf der teuerkennlinie und ließt den zugehörigen Wert von U ab. er Widerstand ergibt sich zu R U I Ein Vergleich von Abbildung mit Abbildung zeigt, dass die Arbeitspunkt- tabilität besser ist als bei chaltung I. * chaltung III - Einstellung der -teuerspannung mittels pannungsteiler und - tromgegenkopplung. Abbildung U R R 1 Arbeitspunkteinstellung durch ate-pannungsteiler und tromgegenkopplung I FET 2 FET 1 R +R I AP2 J-FET R AP1 U 0 U R 2 R U 0 U U U 0 U U 0 Am ate stellt sich die pannung U 0 R U 2 ein. R + R ie pannung U für einen gewünschten trom I entnimmt man der teuerkennlinie. amit wird U 0 U R 1 2 U 0 - U und U0 R I U0 U I oder I U 0 R U0 U R Abbildung zeigt die erreichbare hohe Arbeitspunktstabilität. 224
19 13.8 J-FET-Wechselspannungsverstärker in ource-chaltung chaltung des J-FET-W-Verstärkers U R C k2 C k1 Abbildung J-FET als W-Verstärker u i R R C u q R L er Arbeitspunkt des FET wird über die Widerstände R und R eingestellt I U (siehe Abschnitt 13.7) und U U - I (R +R ) R as W-Eingangssignal wird über C k1 am ate eingekoppelt, das W-Ausgangssignal über C k2 am rain-anschluss ausgekoppelt. er leichstrom-egenkopplungswiderstand R wird mit C wechselstrommäßig kurzgeschlossen Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in ource-chaltung Für Wechselstrombetrieb mit kleiner Aussteuerung kann der FET als linearer Vierpol betrachtet werden. i g 0 u gs i d Abbildung W-Ersatzschaltbild des J-FET in ource-chaltung u gs r ds u ds Berechnung der Vierpol-Parameter: i 1 y 11 u 1 + y 12 u 2 i g y 11 u gs + y 12 u ds 0 i 2 y 21 u 1 + y 22 u 2 i d y 21 u gs + y 22 u ds i d u gs + (1/r ds ) u ds er perrstrom über den pn-übergang zwischen ate und Kanal ist vernachlässigbar gering (i g 0). emzufolge sind Eingangsleitwert y 11 und Rückwirkungsleitwert y 12 annähernd 0 y 11 1/r gs 0 ( Eingangswiderstand r gs ) y
20 Für die Vierpol-Parameter y 21 und y 22 gilt: y 21 i u d gs uds 0 d(i d(u ) ) u konst 1 id d(i) y22 rds uds d(u ) u 0 gs u konst ie Vorwärtssteilheit entspricht der teigung der pannungs-teuerkennlinie im Arbeitspunkt er Ausgangsleitwert bzw. der Ausgangswiderstand r ds entspricht der teigung der Ausgangskennlinie im Arbeitspunkt Berechnung des Wechselspannungsverstärkers i i u gs i d i q Abbildung Wechselstrom-Ersatzschaltbild des Verstärkers Eingangswiderstand R ein u i R u gs r ds u ds R u q R L R aus R ein R Ausgangswiderstand R aus R // r ds Leerlauf-pannungsverstärkung V U0 u u q0 i u gs (r u gs ds // R ) V U0 (r ds // R ) pannungsverstärkung belastet V U (r ds // R // R L ) tromverstärkung iq VI ii uq ui R L R R VU R L Leistungsverstärkung V P V U V I 226
21 13.9 CMO-Technik Mit Hilfe komplementärer MO-Transistoren vom Anreicherungstyp (selbstsperrende MO-FET) werden digitale chaltungen realisiert CMO-Inverter er Inverter ist das rundelement der CMO-Verknüpfungsglieder. Abbildung er CMO-Inverter U p-kanal-fet U I U Q nd n-kanal-fet U I n-kanal-fet p-kanal-fet U Q 0V low sperrt leitet U high U high leitet sperrt 0V low Ist die Eingangsspannung der Inverterstufe U I 0V bzw. U I U, so ist einer der komplementären FET gesperrt, der andere leitend; es besteht also keine leitende Verbindung zwischen nd und U. CMO-atter werden häufig mit einer Versorgungsspannung U > 5V (z.b. U 10V) betrieben. Liegt U I (bei U > 5V) etwa in der Mitte des Versorgungsspannungsbereiches, so sind beide komplementären Transistoren leitend und es besteht eine sehr niederohmige Verbindung zwischen nd und U. Es ist darauf zu achten, dass solche Zwischenpegel an den Eingängen (außer kurzzeitig beim Umschalten) nicht auftreten, da dies zur Zerstörung des Bauelements führen kann. Aus diesem runde dürfen CMO-atter auch nicht mit offenem Eingang betrieben werden CMO-NOR-atter E1 U T1 Abbildung fach NOR-atter U I1 E2 U I2 T2 Q T3 T4 U Q 2x p-kanal-fet 2x n-kanal-fet nd 227
22 Elektrische Verhältnisse U I1 U I2 T1 T2 T3 T4 U Q 0V 0V leitet leitet sperrt sperrt U 0V U leitet sperrt sperrt leitet 0V U 0V sperrt (leitet) leitet sperrt 0V U U sperrt sperrt leitet leitet 0V Wahrheitstabelle E1 E2 Q CMO-NAN-atter E2 U Abbildung fach NAN-atter U I2 E1 T2 T1 T3 Q U Q 2x p-kanal-fet 2x n-kanal-fet U I1 T4 Elektrische Verhältnisse nd U I1 U I2 T1 T2 T3 T4 U Q 0V 0V leitet leitet sperrt sperrt U 0V U leitet sperrt sperrt leitet U U 0V sperrt leitet (leitet) sperrt U U U sperrt sperrt leitet leitet 0V Wahrheitstabelle E1 E2 Q
23 CMO-Übertragungsgatter as CMO-Übertragungsgatter ermöglicht eine bidirektionale Übertragung analoger oder binärer ignale. as atter kann gesperrt oder freigegeben werden. Im leitenden Zustand beträgt der urchgangswiderstand r on Ω. Im gesperrten Zustand kann mit einem Widerstand von Ω gerechnet werden. In digitalen ystemen kann mit dem Übertragungsgatter ein Tri-tate-Verhalten realisiert werden (High, Low, hochohmig). Abbildung CMO-Übertragungsgatter t T 1 +U E A T 2 1 Mit 1- ignal am teuereingang t ist das Übertragungsgatter leitend, mit 0-ignal gesperrt. er Inverter zur Ansteuerung von Transistor T 2 kann als CMO-Inverter ausgeführt werden Übungsaufgaben zum Feldeffekttransistor Aufgabe 13-1: Allgemeine Fragen (a) Nach welchem Prinzip wird der Kanalwiderstand beim perrschicht-fet gesteuert? (b) Was versteht man unter der Pinch-Off-pannung? (c) Warum tritt beim perrschicht-fet eine Kanalabschnürung durch die rain-ource- pannung auf? (d) Nach welchem Prinzip arbeitet ein I-FET oder MO-FET? (e) Was versteht man unter einem Inversionskanal? (f) Was versteht man unter Anreicherungstypen? (g) Was versteht man unter Verarmungstypen? (h) Warum kann ein perrschicht-fet als Analogschalter eingesetzt werden? 229
24 Aufgabe 13-2: Konstantstromquelle R U B R L U B 15 V R 222 Ω FET: BF 245 (a) Zeichne die Arbeitsgerade der chaltung für R L 0 ins Ausgangskennlinienfeld des FET (b) Zeichne die Arbeitssteuerkennlinie für R L 0 (c) Ermittle den trom I und U für R L 0 (d) Bis zu welchem Lastwiderstand R Lmax liegt Konstantstrom vor? (e) Zeichne die Arbeitssteuerkennlinie der chaltung für R L 7278 Ω (f) Ermittle den trom I und U für R L 7278 Ω BF 245 A I /ma 4 U 0 3-0,25 V 2-0,5 V - 0,75 V 1-1,0 V -1,5 V 0-3 U /V U /V 15 Aufgabe 13-3: FET als Analogschalter R i u u I A R u st B u Q R L u + 10 V R i 50 Ω R 120 kω r on 30 Ω U F 0,7 V R L 20 kω r off er Widerstand R kann eingangsseitig (Variante A) oder ausgangsseitig (Variante B) angeschlossen werden. Bearbeite die folgenden Aufgaben für beide Varianten. (a) Ermittle u I und u Q für u st +15 V (b) Ermittle u I und u Q für u st -15 V 230
25 Aufgabe 13-4: Wechselspannungsverstärker mit FET R R 1 C k2 C k1 R u R g u i R C 2 u q R L U 15 V R kω R 2 20 kω R 1 kω R 2 kω FET: 2N4858 nd ω gu << ω << ω go (a) Ermittle grafisch die röße von I und U (Werte angeben) im Arbeitspunkt unter Verwendung der leichstrom-arbeits-pannungssteuerkennlinie. (b) Zeichne das Wechselstromersatzschaltbild des Verstärkers (c) Ermittle die Vierpolparameter des FET und berechne die Verstärkung des Verstärkers im Leerlauf und mit R L 2 kω 6 I ma 5 0-0,7-0,75 2N4858 U /V -0,8-0,85 4-0,9-0, U /V U /V -1,0-1,05-1,1-1,15-1,2-1,25-1,3-1,4 231
26 Aufgabe 13-5: Wechselspannungsverstärker in Kaskodeschaltung Bei der gezeichneten Kaskodeschaltung wird ein FET in ourceschaltung mit einem bipolaren Transistor in Basisschaltung kombiniert. amit läßt sich ein Verstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand realisieren Für den Transistor T 2 soll gelten: h 11e r be 6 kω h 21e β 180 h 22e 1/r ce 12 µ C 1 R 2 10 k T 2 T 1 R 4 R 5 C 4 U u Q Für den Transistor T1 gilt: 6 m r ds 18 kω u I R 1 R 3 C 2 C 3 nd (a) Zeichne das Wechselstromersatzschaltbild des Verstärkers Hinweis: Beachte die Vierpolparameter von ourceschaltung (FET) und Basisschaltung (b) Berechne die Vierpolparameter für die Basisschaltung h h /(h 1) xy b xye 21 + e (c) Berechne die pannungsverstärkung der chaltung Hinweis: as (richtig gezeichnete) Wechselstromersatzschaltbild läßt sich als Kettenschaltung zweier Vierpole interpretieren. u I V U1 u M V U2 u Q Bei der Kettenschaltung zweier Vierpole ergibt sich die esamtverstärkung als Produkt der Einzelverstärkungen (V U V U1 x V U2 ) 232
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