Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren oder FET (engl. field-effect transistor) sind eine Gruppe von unipolaren Transistoren, bei denen im Gegensatz zu den Bipolartransistoren nur ein Ladungstyp am Stromtransport beteiligt ist – abhängig von der Bauart Elektronen oder Löcher bzw. Defektelektronen. Sie werden bei tiefen Frequenzen – im Gegensatz zu den Bipolartransistoren – weitestgehend leistungs- bzw. verlustlos geschaltet. Die am weitesten verbreitete Art des Feldeffekttransistors ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET).

Technologiequerschnitt eines n-Kanal-MOSFET

Entdeckt wurde das Prinzip des Feldeffekttransistors im Jahr 1925 von Dr. Julius Lilienfeld. Damals war es aber noch nicht möglich, FETs in Serienproduktion herzustellen. Erst mit der Beherrschung der Silizium-Halbleitertechnologie in den 1960er-Jahren gelangte er zur Serienreife.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Die erste konkrete Beschreibung eines Bauelements mit Eigenschaften ähnlich denen einer Elektronenröhre geht auf Julius Lilienfeld im Jahr 1925 zurück[1]. Zu dieser Zeit fehlten allerdings die notwendigen Technologien, diese Vorschläge zu realisieren [2]. In der Folgezeit finden sich ähnliche Versuche von Joseph Weber (1930), Holst und Geal (1936) und vor allem Hilsch und Pohl (1938), das Gitter der Elektronenröhren in Festkörpern, insbesondere in Kristallen nachzubauen, von denen jedoch auch keine Realisierungen bekannt sind.

Nachdem Lilienfeld 1928 daraufhin davon abweichend eine Konstruktion vorschlug und patentieren ließ, die dem heutigen IGFET sehr nahe kam, konstruierte der deutsche Physiker Oskar Heil 1934 den ersten Feldeffekttransistor, den er ebenfalls zum Patent anmeldete.[3]

Auch die folgende Beschreibung des ersten JFETs mit einem p-n-Übergang als Steuerung durch Herbert Mataré, Heinrich Welker und parallel dazu William B. Shockley und Walter H. Brattain erfolgte bereits 1945 und damit vor Erfindung des Bipolartransistors 1948. Wegen der raschen Fortschritte allerdings, die man mit diesen Transistoren machte, und wegen der Tatsache, dass sich Feldeffekttransistoren mit den damaligen Technologien und dem damaligen Kenntnisstand noch nicht wirtschaftlich fertigen ließen, wurden Feldeffekttransistoren bis in die 1960er Jahre nicht außerhalb von Laboratorien eingesetzt. Erst wegen auftretender Probleme mit den bipolaren Transistoren beschäftigte man sich ab ca. 1955 eingehender mit den Halbleiteroberflächen und entwickelte Fertigungsverfahren, die die Feldeffekttransistoren zur Serienreife brachten. Dazu zählt insbesondere die Planartechnik.

Funktionsweise

Das Grundprinzip

Im Gegensatz zu den stromgesteuerten Bipolartransistoren sind Feldeffekttransistoren spannungsgesteuerte Schaltungselemente. Die Steuerung erfolgt über die Gate-Source-Spannung, welche zur Regulation des Kanalquerschnittes bzw. der Ladungsträgerdichte dient, d. h. des Halbleiter-Widerstands, um so die Stärke eines elektrischen Stromes zu schalten oder zu steuern.

Der FET verfügt über drei Anschlüsse:

  • Source (engl. für „Zufluss“, „Quelle“)
  • Gate (engl. für „Tor“, „Gatter“)
  • Drain (engl. für „Senke“, „Abfluss“)

Beim MOSFET ist auch ein vierter Anschluss Bulk (Substrat) vorhanden. Dieser wird bei Einzeltransistoren bereits intern mit dem Source-Anschluss verbunden und nicht extra beschaltet.

Die Steuerung bzw. Verstärkung des Stromflusses zwischen Drain und Source geschieht durch gezieltes Vergrößern und Verkleinern leitender und nichtleitender Gebiete des Halbleitermaterials (Substrat). Das im Vorfeld p- und n-dotierte Halbleitermaterial wird dabei durch die angelegte Spannung bzw. das dadurch entstehende elektrische Feld entweder verarmt oder mit Ladungsträgern angereichert.

Der entscheidende schaltungstechnische Unterschied zum bipolaren Transistor besteht in der bei niedrigen Frequenzen praktisch leistungslosen Ansteuerung des FET, es wird lediglich eine Steuerspannung benötigt.

Ein weiterer Unterschied ist der Ladungstransport in dem unipolaren Source-Drain-Kanal. Diese Tatsache ermöglicht prinzipiell einen inversen Betrieb des FET, d. h., Drain und Source können vertauscht werden. Allerdings trifft das nur auf sehr wenige FETs zu, weil die meisten Typen sowohl unsymmetrisch aufgebaut sind, als auch die Anschlüsse Bulk und Source intern verbunden haben.

Zudem kann der unipolare Kanal als bidirektionaler Widerstand benutzt werden und somit nicht nur Gleich-, sondern auch Wechselströme beeinflussen, was z. B. bei Dämpfungsschaltungen (Abschwächer, Muting) genutzt wird.

Je nach Art des FET kommen unterschiedliche Effekte zum Einsatz, um die Leitfähigkeit der Gebiete zu steuern.

JFET

Schema eines n-Kanal-JFET

→ Hauptartikel: JFET

Beim Junction- oder Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET oder SFET) wird der Stromfluss durch den zwischen Drain und Source liegenden Stromkanal mithilfe einer Sperrschicht (vgl. p-n-Übergang) zwischen Gate und dem Kanal gesteuert. Das ist möglich, da die Ausdehnung der Sperrschicht, also die Größe der Zone, die den entgegengesetzten Leitungstyp des Kanalmaterials besitzt, von der Gate-Spannung abhängig ist (siehe auch Raumladungszone).

Analog zu den Feldeffekttransitor mit isoliertem Gate (IGFET, vgl. MISFET) wird die Gruppe der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) auch als NIGFET (engl.: non insulated-gate field-effect transistor) also Feldeffekttransitor ohne isoliertes Gate bezeichnet. Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Feldeffekttransistorarten (ohne isoliertem Gate, NIGFETs):

MISFET

Schema eines n-Kanal-MOSFET (mit bereits ausgebildetem, leitendem Kanal zwischen Source und Drain)

Hauptartikel: MOSFET, der derzeit meist eingesetzte MISFET

Bei einem MISFET (engl. metal insulator semiconductor FET), auch IGFET (engl. insulated gate FET), wird eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur dazu genutzt, mittels Inversion einen leitenden Kanal zwischen Source und Drain herzustellen. Dabei werden mit steigender Spannung UGB zwischen Gate und Bulk bzw. Substrat zuerst die Defektelektronen, d. h. die vormaligen Majoritätsladungsträger, verdrängt und es bildet sich durch Ladungsträger-Verarmung ein nichtleitendes Gebiet. Steigt die Spannung weiter, kommt es zur Inversion, das p-dotierte Substrat wird unterhalb des Gates n-leitend und bildet einen Kanal zwischen Source und Drain, dessen Majoritätsladungsträger nun Elektronen sind. Auf diese Weise steuert die Spannung zwischen Gate und Bulk den Stromfluss zwischen Source und Drain.

Aus technologischen Gründen hat sich hier die Werkstoffkombination Siliziumdioxid-Silizium durchgesetzt. Deshalb fand in den Anfangsjahren der Mikroelektronik der Begriff MOSFET große Verbreitung, und wird auch heute noch als Synonym für die Allgemeinere Bezeichnung MISFET oder gar IGFET genutzt.

Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Feldeffekttransistorarten (mit isoliertem Gate, IGFETs):

Typen und Schaltsymbole

Grundtypen von Feldeffekttransistoren

Neben den abgebildeten Symbolen sind auch noch weitere üblich. Insbesondere im englischen Sprachraum werden die MOSFET-Typen durch einen Pfeil auf dem Source-Anschluss gekennzeichnet [4]. Hier deutet der Pfeil die technische Stromrichtung im typischen Betriebszustand an, d. h. bei einem p-Kanal-MOSFET (n-dotiertes Substrat, p-dotiertes Source und Drain, → pnp) zeigt der Pfeil vom Gate weg, bei einem n-Kanal-MOSFET (p-dotiertes Substrat, n-dotiertes Source und Drain, → npn) zum Gate hin.

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Vor- und Nachteile gegenüber dem Bipolar-Transistor

Vorteile
  • bei niedrigen Frequenzen stromlose Steuerung im statischen Bereich bzw. geringere Ansteuerleistung
  • kürzere Schaltzeiten, da die Speicherzeit völlig entfällt.
  • geringe Durchgangsverluste bzw. Spannungsabfall als Schalter insbesondere bei Typen für kleine Spannungen und hohe Ströme (automotive bzw. Automobilbereich)
  • höhere Integrationsdichte, niedrigere Maskenzahl → geringere Kosten
Nachteile
  • geringere Steilheit ΔIAusgangUsteuer als Bipolartransistoren
  • bei gleicher Chipfläche geringere Strombelastbarkeit
  • Empfindlichkeit gegenüber statischen Aufladungen (ESD) bei Transport, Handhabung und Montage, wenn keine Schutzdioden eingebaut sind
  • Leistungs-MOSFET haben höhere Chipfläche als Bipolartransistoren, insbesondere bei höheren Sperrspannungen

Anhand dieser Liste ist zu sehen, dass Bipolar- sowie Feldeffekttransistoren entscheidende Nachteile gegenüber dem jeweils anderen Transistortypen besitzen. Aus diesem Grund wurde 1984 auf Basis von MISFETs der Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (engl. insulated-gate bipolar transistor, IGBT) entwickelt. Er kombiniert viele Vorteile von Feldeffektransistor und Bipolartransistor, wird aber vorranging in der Leistungselektronik eingesetzt.

Anwendungsgebiete

Der Einsatz der verschiedenen Bauformen der Feldeffekttransistoren ist vor allem abhängig von den Ansprüchen an Stabilität und Rauschverhalten. Grundsätzlich gibt es Feldeffekttranistoren für alle Einsatzgebiete, dabei werden jedoch die IGFETs eher in der Digitaltechnik eingesetzt, JFETs eher in der Hochfrequenztechnik. [5]

Leistungs-MOSFET sind Bipolartransistoren hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Verlusten insbesondere bei Spannungen bis ca. 500 V überlegen. Sie werden daher in Schaltnetzteilen und Schaltreglern eingesetzt. Aufgrund der damit möglichen hohen Schaltfrequenzen (bis ca. 1 MHz) lassen sich kleinere induktive Bauteile einsetzen.

Des Weiteren sind sie in Form von so genannten „intelligenten“, das heißt mit integrierten Schutzschaltungen versehenen, Leistungsschaltern im Automotive-Bereich verbreitet. Darüber hinaus finden sie Anwendung als HF-Leistungsverstärker meist gefertigt in Bauformen mit speziellen Kennlinien und Gehäusen. Klasse-D-Audioverstärker arbeiten in den PWM-Schaltstufen mit MOSFETs.

Einzelnachweise

  1. Patent US 1745175 J. E. Lilienfeld: "Method and Apparatus For Controlling Electric Currents" angemeldet am 22.10.1925
  2. Reinhold Paul, Feldeffekttransistoren - physikalische Grundlagen und Eigenschaften, 1972, Stuttgart, Verlag Berliner Union [u.a.], ISBN 3-408-53050-5
  3. Patent GB 439457 Oskar Heil: "Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices" angemeldet in Deutschland am 2. März 1934
  4. Innovatia Technologies - Transistors (englisch)
  5. Heinz Beneking: Feldeffekttransistoren. Springer Verlag, Berlin 1973, ISBN 3-540-06377-3. 

Literatur

  • Reinhold Paul: MOS - Feldeffekttransistoren. Springer, Berlin 2002, ISBN 3540558675. 

Weblinks

Siehe auch


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