Was ist ein FET: Feldeffekttransistor: Typen, Technologie, …

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FET-Grundlagen FET-Spezifikationen JFET MOSFET Dual-Gate MOSFET Power MOSFET MESFET / GaAs FET HEMT & PHEMT FinFET-Technologie

Der Feldeffekttransistor, FET, ist ein wichtiges elektronisches Bauteil, das in vielen Bereichen der Elektronikindustrie verwendet wird.

Der FET wird in vielen Schaltkreisen verwendet, die aus diskreten elektronischen Bauteilen aufgebaut sind, und zwar in Bereichen, die von der Hochfrequenztechnik über die Leistungssteuerung und das elektronische Schalten bis hin zur allgemeinen Verstärkung reichen.

Die Hauptanwendung für den Feldeffekttransistor (FET) ist jedoch der Einsatz in integrierten Schaltungen. In dieser Anwendung verbrauchen FET-Schaltungen viel weniger Strom als ICs mit bipolarer Transistortechnologie. Dies ermöglicht den Betrieb von sehr großen integrierten Schaltungen. Bei Verwendung der bipolaren Technologie wäre der Stromverbrauch um Größenordnungen höher und die erzeugte Leistung viel zu groß, um von der integrierten Schaltung abgeleitet werden zu können.

Feldeffekttransistoren werden nicht nur in integrierten Schaltungen verwendet, sondern sind auch in diskreter Form sowohl als bedrahtete elektronische Bauteile als auch als oberflächenmontierbare Bauteile erhältlich.

Feldeffekttransistor, FET-Geschichte

Bevor die ersten FETs auf den Markt für elektronische Bauteile kamen, war das Konzept bereits seit einigen Jahren bekannt. Es gab viele Schwierigkeiten bei der Verwirklichung dieser Art von Bauelementen und ihrer Funktionsweise.

Einige der frühen Konzepte für den Feldeffekttransistor wurden 1926 in einem Aufsatz von Lilienfield und 1935 in einem weiteren Aufsatz von Heil skizziert.

Die nächsten Grundlagen wurden in den 1940er Jahren in den Bell Laboratories gelegt, wo eine Halbleiterforschungsgruppe eingerichtet wurde. Diese Gruppe untersuchte eine Reihe von Bereichen, die mit Halbleitern und Halbleitertechnologie zu tun hatten, darunter ein Gerät, das den in einem Halbleiterkanal fließenden Strom modulieren würde, indem es ein elektrisches Feld in dessen Nähe anlegt.

Bei diesen frühen Experimenten gelang es den Forschern nicht, die Idee zum Laufen zu bringen, so dass sie sich einer anderen Idee zuwandten und schließlich eine andere Form von Halbleiterelektronikbauteil erfanden: den Bipolartransistor.

Danach konzentrierte sich ein Großteil der Halbleiterforschung auf die Verbesserung des Bipolartransistors, und die Idee eines Feldeffekttransistors wurde einige Zeit lang nicht weiter untersucht. Heute sind FETs sehr weit verbreitet und stellen das wichtigste aktive Element in vielen integrierten Schaltungen dar. Ohne diese elektronischen Bauelemente wäre die Elektronik ganz anders als heute.

Feldeffekttransistor – die Grundlagen

Das Konzept des Feldeffekttransistors beruht auf der Vorstellung, dass Ladungen auf einem nahe gelegenen Objekt Ladungen innerhalb eines Halbleiterkanals anziehen können. Der FET besteht aus einem Halbleiterkanal mit Elektroden an beiden Enden, die als Drain und Source bezeichnet werden.

Eine Steuerelektrode, das Gate, befindet sich in unmittelbarer Nähe des Kanals, so dass ihre elektrische Ladung den Kanal beeinflussen kann.

Auf diese Weise steuert das Gate des FET den Fluss der Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die von der Source zum Drain fließen. Dies geschieht durch die Kontrolle der Größe und Form des leitenden Kanals.

Der Halbleiterkanal, in dem der Stromfluss stattfindet, kann entweder vom P-Typ oder vom N-Typ sein. Daraus ergeben sich zwei Arten oder Kategorien von FETs, die als P-Kanal- und N-Kanal-FETs bezeichnet werden.

Darüber hinaus gibt es zwei weitere Kategorien. Eine Erhöhung der Spannung am Gate kann die Anzahl der im Kanal verfügbaren Ladungsträger entweder verringern oder erhöhen. Daher gibt es FETs im Anreicherungsmodus und FETs im Verarmungsmodus.

Da nur das elektrische Feld den im Kanal fließenden Strom steuert, wird das Bauelement als spannungsbetrieben bezeichnet und hat eine hohe Eingangsimpedanz, in der Regel viele Megaohm. Dies kann ein deutlicher Vorteil gegenüber dem bipolaren Transistor sein, der strombetrieben ist und eine viel niedrigere Eingangsimpedanz hat.

FET-Schaltungen

Feldeffekttransistoren sind in allen Arten von Schaltungen weit verbreitet, von denen, die in Schaltungen mit diskreten elektronischen Bauteilen verwendet werden, bis zu denen, die in integrierten Schaltungen eingesetzt werden.

Da der Feldeffekttransistor ein spannungsbetriebenes Bauelement und kein Strombauelement wie der bipolare Transistor ist, bedeutet dies, dass einige Aspekte der Schaltung sehr unterschiedlich sind: insbesondere die Vorspannungsanordnung. Der Entwurf elektronischer Schaltungen mit FETs ist jedoch relativ einfach – er unterscheidet sich nur ein wenig von dem mit bipolaren Transistoren.

Mit FETs können Schaltungen wie Spannungsverstärker, Puffer oder Stromfolger, Oszillatoren, Filter und vieles mehr entworfen werden, und die Schaltungen sind denen für bipolare Transistoren und sogar thermionische Röhren sehr ähnlich. Interessanterweise sind Röhren auch spannungsbetriebene Geräte, und daher sind ihre Schaltungen sehr ähnlich, sogar in Bezug auf die Vorspannungsanordnungen.

Feldeffekttransistortypen

Es gibt viele Möglichkeiten, die verschiedenen Typen von FET zu definieren, die verfügbar sind. Die verschiedenen Typen bedeuten, dass beim Entwurf einer elektronischen Schaltung das richtige elektronische Bauteil für die Schaltung ausgewählt werden muss. Durch die Auswahl des richtigen Bauelements ist es möglich, die beste Leistung für die gegebene Schaltung zu erzielen.

FETs können auf verschiedene Weise kategorisiert werden, aber einige der wichtigsten FET-Typen können in dem unten stehenden Baumdiagramm dargestellt werden.

Es gibt viele verschiedene FET-Typen auf dem Markt, für die es verschiedene Namen gibt. Einige der Hauptkategorien sind im Folgenden aufgeführt.

• Junction FET, JFET: Der Sperrschicht-FET oder JFET verwendet einen in Sperrichtung vorgespannten Diodenübergang, um die Gate-Verbindung herzustellen. Die Struktur besteht aus einem Halbleiterkanal, der entweder vom N-Typ oder vom P-Typ sein kann. Eine Halbleiterdiode wird dann so auf dem Kanal hergestellt, dass die Spannung an der Diode den FET-Kanal beeinflusst.

  Im Betrieb ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt, was bedeutet, dass sie effektiv vom Kanal isoliert ist – nur der Sperrstrom der Diode kann zwischen den beiden fließen. Der JFET ist der grundlegendste FET-Typ und derjenige, der zuerst entwickelt wurde. Er leistet jedoch in vielen Bereichen der Elektronik noch immer hervorragende Dienste.

  Lesen Sie mehr über … … Sperrschicht-Feldeffekttransistor, JFET.

• Insulated Gate FET / Metal Oxide Silicon FET MOSFET: Der MOSFET verwendet eine isolierte Schicht zwischen dem Gate und dem Kanal. Diese wird in der Regel aus einer Oxidschicht des Halbleiters gebildet.

  Die Bezeichnung IGFET bezieht sich auf jede Art von FET, die ein isoliertes Gate hat. Die gebräuchlichste Form des IGFET ist der Silizium-MOSFET – Metal Oxide Silicon FET. Hier besteht das Gate aus einer Metallschicht, die sich auf dem Siliziumoxid befindet, das wiederum auf dem Siliziumkanal liegt. MOSFETs werden in vielen Bereichen der Elektronik und insbesondere in integrierten Schaltungen eingesetzt.

  Der Schlüsselfaktor des IGFET / MOSFET ist die außerordentlich hohe Impedanz des Gates, die diese FETs bieten können. Das heißt, es gibt eine zugehörige Kapazität, die die Eingangsimpedanz mit steigender Frequenz verringert.

  Lesen Sie mehr über … . Metall-Oxid-Silizium-FET, MOSFET.

• Dual Gate MOSFET: Hierbei handelt es sich um eine spezielle Form des MOSFET, bei der zwei Gates entlang des Kanals in Reihe geschaltet sind. Dies ermöglicht erhebliche Leistungsverbesserungen, insbesondere im HF-Bereich, im Vergleich zu Bauelementen mit einem Gate.

  Das zweite Gate des MOSFET sorgt für eine zusätzliche Isolierung zwischen Eingang und Ausgang und kann darüber hinaus für Anwendungen wie Mischen/Multiplizieren verwendet werden.

  Lesen Sie mehr über … . Dual Gate MOSFET.

• MOSFET: Der MEtal-Silizium-FET wird normalerweise mit Galliumarsenid hergestellt und wird oft als GaAs-FET bezeichnet. GaAsFETs werden häufig für HF-Anwendungen verwendet, wo sie eine hohe Verstärkung und ein geringes Rauschen bieten können. Einer der Nachteile der GaAsFET-Technologie ist die sehr kleine Gate-Struktur, die sie sehr empfindlich gegenüber statischen Schäden (ESD) macht. Beim Umgang mit diesen Bauelementen ist große Vorsicht geboten.

  Lesen Sie mehr über…. MESFET / GaAsFET.

• HEMT / PHEMT: Der Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit und der pseudomorphe Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit sind Weiterentwicklungen des grundlegenden FET-Konzepts, wurden jedoch entwickelt, um einen Betrieb mit sehr hohen Frequenzen zu ermöglichen. Sie sind zwar teuer, ermöglichen aber sehr hohe Frequenzen und hohe Leistungen.

  Lesen Sie mehr über … . HEMT / PHEMT.

• FinFET: Die FinFET-Technologie wird jetzt in integrierten Schaltungen eingesetzt, um durch kleinere Strukturgrößen ein höheres Maß an Integration zu erreichen. Da höhere Dichten erforderlich sind und es immer schwieriger wird, immer kleinere Strukturen zu realisieren, wird die FinFET-Technologie immer häufiger eingesetzt.

  Lesen Sie mehr über … . FinFET.

• VMOS: VMOS-Standard für Vertical MOS. Es handelt sich um einen FET-Typ, der einen vertikalen Stromfluss verwendet, um die Schalt- und Stromübertragungsleistung zu verbessern. VMOS-FETs werden häufig für Leistungsanwendungen eingesetzt.

Auch wenn in der Literatur noch einige andere Arten von Feldeffekttransistoren zu finden sind, handelt es sich bei diesen Typen oft um Handelsnamen für eine bestimmte Technologie und um Varianten einiger der oben aufgeführten FET-Typen.

FET-Spezifikationen

Neben der Auswahl eines bestimmten Typs von Feldeffekttransistoren für eine bestimmte Schaltung ist es auch notwendig, die verschiedenen Spezifikationen zu verstehen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der FET mit den erforderlichen Leistungsparametern arbeitet.

Zu den FET-Spezifikationen gehören alle Angaben von den maximal zulässigen Spannungen und Strömen bis hin zu den Kapazitätswerten und der Transkonduktanz. Sie alle spielen eine Rolle bei der Entscheidung, ob ein bestimmter FET für eine bestimmte Schaltung oder Anwendung geeignet ist.

Die Technologie der Feldeffekttransistoren kann in einer Reihe von Bereichen eingesetzt werden, für die Bipolartransistoren nicht so gut geeignet sind: Jedes dieser Halbleiterbauelemente hat seine eigenen Vor- und Nachteile und kann in vielen Schaltungen mit großem Erfolg eingesetzt werden. Der Feldeffekttransistor hat eine sehr hohe Eingangsimpedanz und ist ein spannungsgesteuertes Bauelement, wodurch er in vielen Bereichen eingesetzt werden kann.

Weitere elektronische Bauelemente:
Widerstände Kondensatoren Induktivitäten Quarzkristalle Dioden Transistor Fototransistor FET Speichertypen Thyristor Steckverbinder HF-Steckverbinder Ventile / Röhren Batterien Schalter Relais
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