Was ist ein Feldeffekt-Transistor?

Feldeffekttransistoren werden auch Unipolartransistoren genannt und sind eine spezielle Form von Transistoren, bei denen die Leitfähigkeit eines halbleitenden Kanals durch ein elektrisches Feld, das auf den Kanal wirkt, verändert werden kann.

Wie bei den bipolaren Transistoren haben Feldeffekt-Transistoren drei Anschlüsse. Diese werden in Abweichung zu den sonstigen

Bezeichnungen als Source S (für Quelle), als Drain D (für Senke) und als Gate G (Tor) bezeichnet.

Source S und Drain D sind die beiden Ende des Kanals, während Gate G die Steuerelektrode ist, die die Leitfähigkeit des Kanals reguliert.

Es gibt zwei Arten von Feldeffekt-Transistoren:

- Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren

- Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren (MOS-FET)

Bei einem N-Kanal-Sperrschicht-FET wird der pn-Übergang zwischen Gate und Source in Sperrrichtung betrieben. Der Gatestrom Ig ist

daher sehr klein (Spannungssteuerung). Bei kleinen Spannungen verhält sich der FET wie ein steuerbarer Widerstand. Bei höheren Spannungen wird der Kanal unsymmetrisch. Dies liegt am Potentialgefälle entlang des Kanals. Nahe des Drain-Anschlusses entsteht eine Abschnürung des Kanals (Verhalten ähnlich einer gesteuerten Stromquelle).

Die Wirkungsweise am Beispiel einer Sourceschaltung:

Eine angelegte Drain-Source-Spannung U(DS) treibt durch den Kanal einen sogenannten Drainstrom I(D). Dieser kann durch die Gate-Source-Spannung, die Steuerspannung U8GS) beeinflusst werden. Jetzt treten typischerweise zwei Fälle auf:

A) Der Kanal ist voll ausgebildet - er ist nicht abgeschnürt = aktiver Bereich

B) Der Kanal ist nicht mehr voll ausgebildet - er ist abgeschnürt (s.o.) = Sättigungsbereich.

Bei A), aktiver Bereich, ist der Drainstrom sowohl von U(DS) als auch von U(GS) abhängig. Hier kann der FET als einstellbarer Widerstand betrieben werden.

Im Sättigungsbereich werden FETs meistenteils für Verstärkeranwendungen eingesetzt. Dabei tritt bei zu hohen Drain-Source-Spannungen ein Spannungsdurchbruch ein. Dieser tritt zwischen Drain und Substrat auf und bei einer Strombegrenzung (siehe Datenblatt für den zulässigen Wert) wird der FET nicht zerstört!

Beim MOS-FET-Transistor (Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor) wird im Gegensatz zu Bipolaren-Transistoren durch Influenz (dies ist ein

Feldeffekt) geschaltet. Bipolare Transistoren werden hingegen durch einen Steuerstrom geschaltet.

Dieses Fehlen eines Steuerstroms bei MOS-FET-Transistoren bedeutet auch, dass dieser keinen Strom verbraucht. Eine weitere wertvolle Eigenschaft von MOS-FET-Transistoren besteht darin, dass dieser sehr einfach mittels "gesteuerten Stromkreis" einen weiteren MOS-FET-Transistor steuern kann.

Bei MOS-FET-Transistoren unterscheidet man n-Kanal-Transistoren und p-Kanal-Transistoren.

Der Aufbau eines n-Kanal-MOS-FET-Transistors sieht so aus (Schema des Schaltzeichens):

         :--D

         :

 G-----:-----B

         :

         :--S

Dabei stehen "G" für Gate, "D" für Drain, "B" für Bulk und "S" für Source.

Ein MOS-FET-Transistor besteht aus einer "M"etallschicht, einer "O"xidschicht und einem "S"emiconductor (Halbleiter) und den Anschlüssen von Drain und Source. Anhand der in Hochkommata gesetzten Buchstaben weiß man nun, woher der Namensteil "MOS" herrührt. Dabei ist der Halbleiter p-dotiert und Drain sowie Source sind n-dotiert.

Legt man nun am Gate-Anschluß eine positive Spannung an, lädt sich die Metallschicht auf. Das dabei entstehende elektrische Feld lässt die Löcher im Substrat wegwandern. Dieser "Verlust" lässt einen Bereich entstehen, der negativer geladen ist als der Rest des Substrats.

Dies dauert aber nur so lange, wie die abstoßenden Kräfte der Löcher die der Metallschicht ausgleichen.

Ist nun das elektrische Feld im negativen Bereich groß genug, dann können Elektronen im negativen Bereich durch thermische Paarbildung nicht mehr in den positiven Bereich gelangen. Dieser so entstehende, negative Kanal entlang der Isolationsschicht ist der n-Kanal. Durch diesen fließt der Strom von Drain nach Source.

Der Spannungswert, der zum Aufbau des n-Kanals führt, wird Schwellwert genannt.

Bei einem p-Kanal-MOS-FET-Transistor muß eine negative Spannung am Gate angelegt werden. Es bildet sich auch kein negativer Kanal

sondern ein positiver Kanal, da die n- und p-dotierten Schichten gegenüber dem n-Kanal-MOS-FET-Transistor vertauscht sind.