Feldeffekttransistoren

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1 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 teuerelektrode. Mit ihm läßt sich der Widerstand zwischen Drain D und ource steuern. Die teuerspannung ist U G. Viele Fets sind symmetrisch, d.h. sie ändern ihre Eigenschaften nicht, wenn man und D vertauscht. Bei perrschichtfets ist das Gate durch einen pnbzw. np- Übergang vom Kanal D getrennt. Bei richtiger Polung von U G sperrt diese Diode und isoliert das Gate; bei umgekehrter Polung wird sie leitend. Bei Mosfets isoliert eine dünne io 2 -chicht das Gate vom Kanal D. Daher kann bei ihnen nie ein Gatestrom fließen, unabhängig von der Polung des Gates. Die im Betrieb auftretenden Gateströme liegen bei perrschichtfets zwischen 1 pa und 1 na; bei Kleinsignal-Mosfets sind sie zum Teil sogar noch kleiner. Damit verbunden sind Eingangswiderstände von bis Ω. Genauso wie es pnp- und npn- Transistoren gibt, gibt es auch p- und n- Kanal-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 chaltung umpolt. Eventuell vorhandene Dioden und Elektrolytkondensatoren müssen dann natürlich ebenfalls umgepolt werden. Bei perrschichtfets fließt der größte Drainstrom bei der pannung U D 0. ie werden daher als selbstleitend bezeichnet. Dasselbe Verhalten zeigen die Depletion-Mosfets. - Enhancement-Mosfets sperren dagegen bei U G gleich Null. Wir nennen sie daher selbstsperrend. Ein Drainstrom fließt bei n-kanalenhancement-mosfets erst, wenn U G einen bestimmten positiven Wert überschreitet. Zwischen Enhancement- und Depletion-Mosfets gibt es Übergangstypen, z.b. auch solche, bei denen bei U G 0 ein mittlerer Drainstrom fließt. Bei Mosfets ist häufig ein vierter Anschluß, das ubstrat (Bulk B), herausgeführt. Diese Elektrode hat ähnlich steuernde Wirkung wie das Gate. ie ist jedoch nur durch eine perrschicht vom Kanal isoliert. Im allgemeinen nützt man ihre teuerwirkung nicht aus und verbindet sie mit der ourceelektrode.

2 Benötigt man zwei teuerelektroden, verwendet man Mosfet-Tetroden, die zwei gleichberechtigte Gates besitzen. Bei n-kanal-fets ist die ourceelektrode auf negativeres Potential zu legen als die Drainelektrode; bei Umpolung übernimmt die Drainelektrode die Funktion der ourceelektrode. Bei n-kanal-fets wirkt also jeweils die Kanalelektrode mit dem niedrigeren Potential als ource. 2 Grundschaltungen In Analogie zu den bipolaren Transistoren unterscheidet man ource-, Drain- und Gateschaltung, je nachdem, welche Elektrode auf konstantem Potential liegt. 2.1 ourceschaltung Die ourceschaltung entspricht der Emitterschaltung bei bipolaren Transistoren. Der Unterschied besteht darin, daß die Gate-Kanal-Diode in perrichtung betrieben wird. Daher fließt praktisch kein Eingangsstrom, und der Eingangswiderstand ist sehr hoch. Durch Vergleich der Kennlinienfelder und Kleinsignalparameter erhält man folgende Korrespondenz: I C I D I E I r r 0 I B I G 0 r BE r G U CE U D r CE r D U BE U G β r G A - (R D rd). Daraus folgt für den Grenzübergang R D >> r D die Maximalverstärkung A - r D - µ. ie ist im Bereich 0,1I D < I D < I D 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.

3 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 pannungsverstärkung von 20 entspricht dies einer max. Ausgangsamplitude von 1,3 V. Das ist wesentlich mehr, als man mit Bipolartransistoren in der entsprechenden chaltung 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 perrschicht-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 perrschicht-fets. Mosfets eignen sich für rauscharme chaltungen also nur in der Hochfrequenztechnik. 2.2 Gateschaltung Die Gateschaltung wird bei Fets wenig angewendet, weil der hohe Gate- Kanal-Widerstand dabei nicht zur Geltung kommt. 2.3 Drainschaltung, ourfefolger Die Drainschaltung besitzt einen höheren Eingangswiderstand als die ourceschaltung. Das ist aber im allgemeinen von geringer Bedeutung, weil er schon in ourceschaltung sehr hoch ist. Vorteilhaft kann sein, daß die Eingangskapazität verkleinert wird. Im Unterschied zum Emitterfolger ist der Ausgangswiderstand des ourcefolgers unabhängig vom Innenwiderstand R g der ignalquelle.

4 1. Übung: Messen der teuerkennlinie und des Ausgangskennlinienfeldes eines n-kanal J-FET verw. Typ: BF245, U D 5,10,15V 1.1 Meßschaltung: - U G 10k G D + - U D Meßtabelle für teuerkennlinie: U D 5V: U D 10V: U D 15V: U G [V] I D [A] U G [V] I D [A] U G [V] I D [A] 0 12,5m 0 12,7m 0 12,7m -1 8,2m -1 8,7m -1 8,5m -2 4,8m -2 5,2m -2 5,2m -3 2,1m -3 2,4m -3 2,6m -4 0,4m -4 0,6m -4 0,6m -5 0,26µ -5 0,56µ -5 0,6µ

5 1.3 Meßtabelle für Ausgangskennlinienfeld: U G 0V: U G -1V: U G -2V: U G -3V: U G -4V: U D [V] I D [ma] I D [ma] I D [ma] I D [ma] I D [ma] ,4 4,1 2, ,4 4 1,85 0, ,5 4,5 2,1 0, ,3 4,7 2,13 0, ,4 8,4 4,9 2,3 0, ,7 8,5 5 2,4 0,5 7 12,8 8,6 5,1 2,47 0, ,7 5,2 2,5 0, ,7 5,2 2,5 0, ,7 5,2 2,5 0,53 2. Übung: Dimmensionierung einer Verstärkerschaltung geforderte Daten: U D 5V U b 12V R G 1MΩ f g 30Hz 2.1 Meßschaltung: R D 1k0 C 2 C 1 u e R G 1M0 R 270R U A u a

6 2.2 chaltungsberechnung: di D_ 115, ma 338, m du 34, V G _ U U b 12V 6 V 2 2 R D Ub U I D_ 12V 6V 6mA 1kΩ R U G _ 165, V 275Ω 270Ω gew. I 6m D_ A ber. RD 1 + R 1kΩ Ω 338, m 177, C R ω 1MΩ 2π 30Hz G g 53, nf 47, nfgew. C R ω 1kΩ 2π 30Hz D g 53, µ F 47, µ Fgew. 2.3 Gemessene Werte der Verstärkerschaltung: u e 1V s u a 2.3V s I D 6,9mA U 5V A gem. ua 23, V 23, u 1V e