Einführung in die Elektronik für Physiker

Hartmut Gemmeke 

Forschungszentrum Karlsruhe, IPE 

hartmut.gemmeke@kit.de 

Tel.: 07247-82-5635 

Einführung in die Elektronik für 

Physiker 

JFET - MOSFET 

11. Feldeffekt-Transistoren 

Ausgangskennlinie und typische Kenndaten 

Vergleich der verschiedenen FETs und mit Bipolartransistor 

Grundschaltungen des FETs: Source-, stromgegengekopplelte Source- 

Schaltung, Source-Folger (Drainschaltung) 

Anwendungen des JFETs als steuerbarer Widerstand, Konstantstromquelle 

Zerstörung des FETs durch elektrostatische Entladung 

Feldeffekt-Transistor (FET) 

• Leistungslose Steuerung der Leitfähigkeit oder des Querschnitts eines 

halbleitenden Kanals mit einem elektrischen Feld, 

– Gate-Eingangswiderstand R e ! 10 9 -10 14 " 

– quadratische Eingangs-Kennlinie I D =I D0 ((U GS -U P )/ U P ) 2 , 

(P = pinch-off = Abschnürung), Raumladungszone (RLZ) 

d " U GS 

– im Gegensatz zum Transistor: 

Steuerelektrode G (Gate entspricht Basis) mit Spannung UGS # steuert Widerstand des Kanals zwischen Source 

! 

und Drain 

(Quelle) (Senke) 

entspricht beim Transistor Emitter Kollektor 

– oft symmetrisch gegen Vertauschung von S und D 

– Im Gegensatz zum Transistor unipolar (bezüglich Gate), 

nur eine Ladungsträgerart bestimmt den Stromfluss 

• Junction-FET (JFET) oder 

Sperrschicht-FET (SFET) 

Isolation durch einen 

gesperrten pn-Übergang 

Symbol 

05.12.2009 Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 2

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor) 

• auch IGFET (insulated Gate FET) genannt 

• Eigenschaften und Kennlinien ähnlich dem 

Sperrschicht-FET 

• Gate ist durch Metalloxid vom Substrat 

getrennt, dielektrische Isolation 

# R e ! 10 12 -10 15 " 

# Cave: Reibungs-Elektrizität! Kleinste 

Ströme, bzw. Ladungen an C gate zerstören FET 

• MOS und JFET´s haben große Exemplar- 

streuung insbesondere von U P 

Unterschiede zwischen MOS und JFET: 

• Eingangswiderstand Re – JFET Re > 109 " 

– MOSFET Re > 1012 • 

" 

Rauschen: 

– JFET hat ein sehr geringes Rauschen 

• Die Temperaturabhängigkeit 

ist geringer als beim 

Bipolartransistor: 

=> Anwendung in Vorverstärkern 

– MOSFET: 1/f-Rauschen groß bei $ 100kHz 

dUP /dT = -1 mV/K 

– Transistoren 1/f-Rauschen groß bei $ 1kHz, siehe Kap.15 

05.12.2009 Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 3 


bulk 

MOSFET-Anreicherungstyp 

• n-Kanal-Anreicherungs-Typ (nur für MOSFET und nicht für JFET 

möglich): 

– positive Gate-Spannung 

=> negative Minoritäts-Ladungsträger werden zur isolierten Gate-Elektrode gezogen 

=> n-Kanal zwischen den beiden n-Inseln Source und Drain. 

– spannungsloser Zustand oder 

angelegte negative Gate-Spannung 

=> zwei gegeneinander geschaltete Dioden ! selbstsperrend 

=> stromlos 

Symbol 

bulk

MOSFET-Verarmungstyp 

bzw. selbstleitender Depletion MOSFET 

• Auch bei U GS = 0 Strom (wie JFET) 

%U GS > 0 vergrößert den Strom und 

%U GS < 0 verringert den Strom. 

Der Querschnitt und die Leitfähigkeit 

des Kanals wird verändert 

• Geringe Gate-Drain Kapazität 

# HF-Anwendungen 

Symbol 


Wie funktioniert die Grenzschicht zum Kanal? 

Eingesperrte Ladungen im SiO 2 können Elektronen im Bereich der 

Grenzschicht zum Si binden und so einen Kanal ausbilden. In jedem Falle 

bestimmen sie die pinch-off (Abschnür-) Spannung. 

Eingesperrte Ladungen bestimmen 

Rauschen 


bulk 

Perspektivische Darstellung eines 

MOS-FETs

Ausgangskennlinie 

• Selbstleitender FET, U k = Kniespannung 

Anlaufbereich Abschnürbereich 


Zur Illustration das 

weite Spektrum der 

FET-Daten: 

Typische Kenndaten von FETs 

Typ BF245B IRF530 

Technologie n-Kanal Sperrschicht-FET, 

selbstleitend 

MOS-FET, 

selbstsperrend 

Grenzdaten: 

Drainstrom I Dmax 25 mA 10 A 

Gate-Source-Spg. U GSmax -30 V ± 20 V 

Verlustleistung P max 300 mW 75 W 

Kenndaten: 

Schwellenspannung U p -1,5 … -4,5 V 1,5 … 3,5 V 

Drainstrom I DS 6 … 15 mA 5 A 

Maximale Steilheit S S 5 mA/V 5 A/V 

Minimaler Widerstand R DSon 200 ! 0,14 ! 

Max. Gatesperrstrom I Gmax 5 nA 0,5 mA 

Max. Drainsperrstrom I Dmax 10 nA 1 mA 

Eingangskapazität C eS 4 pF 750 pF 

Ausgangskapazität C aS 1,6 pF 300 pF 

Rückwirkungskapazität C rS 1,1 pF 50 pF 

Rauschen F 1,5 dB 

Steilheitsgrenzfrequenz f S 700 MHz 

Einschaltverzögerung t on 30 ns 


Überblick über die verschiedenen FET-Typen 

Selbstleitende FET´s für U GS = 0 Symbol mit && selbstsperrende FET´s mit - - -! 

Beim 

Mosfet sind 

Source und 

Bulk 

zumeist 

verbunden: 

Bulk-Kanal- 

Diode ist 

gesperrt!!! 


Vergleich: Bipolartransistor - JFET 

Prinzipschaltung 

ohne Gegenkopplung 

Exemplarstreuung 

der 

Eingangsspannung 

Exemplarstreuung 

der Verstärkung 

Emitterschaltung Sourceschaltung 

U BE = 0,6V ±50mV 

!U BE = klein 

$ max 

= 2bis 

4 

$ min 


" 

#U P = 2bis6V 

!U P =gro$ 

Smax 

= 2bis 

4 

Smin 

Fertigungstoleranzen für FETs sind größer als für Bipolartransistoren !

! 

! 

Transistor # FET 

I C " I D 

I E "I S 

Source-Schaltung 

S = #I C 

#U BE 

I B "I G $0 r B "r G $% 

U CE "U DS 

U BE " U GS 

V u = dU a 

dU e 

" S = #I D 

#U GS 

Sr = #IB "S 

#U r = 

CE 

#IG $0 

#UDS rC "rD & " S ' r $ % 

GS 

= ( dID' RD r ( DS) 

= (S ' ( R 

dU D rDS) GS 

Z $ R r 

a D DS 

ID = 

ID0 UP (U ) , 2 

+ GS 

+ . 

* U 

. " U = U ' 1( 

P - 

GS P I ) , 

+ D . 

+ I . 

* D0 - 

S = #I I 

D D0 

= 2 

#UGS UP U P (U GS 

U P 

= 2 

U P 

I D 'I D0 

dI G " 0 

dI 

D 

= S # dU 

GS 

+ 1 

# dU 

r DS 

DS 


! 

r DSon "50 # 200$ 

S FET < 10mA 

V , S BipolarTr 

Stromgegenkopplung bei Sourceschaltung 

• Arbeitspunkteinstellung durch Gleichstromgegenkopplung 

Stromgegenkopplung wird für ' > R S(C S aufgehoben 

Arbeitspunkt gegeben durch I D und U G=0 

V u= = "U a 

"U e 

z.B.: I D0 = 10 mA, 

I D = 3 mA, 

U P = -3V 

=> 

= #dI D $R D r DS 

dU GS +dI D $R S 

V u= = # S$R D r DS 

1+S$R S 

V u% = #S $ R D r DS (R S & Z S 

[ ] 

[ ] 

V u= = !1,4" R D k# 

V u $ = !3,7 "R D k# 

= #dUGS $S$RD rDS dUGS $ ( 1+S$RS ) 

'>R SC S ( ( ( & 0) 


! 

"U = UP # 1$ 

GS I % ( 

' D 

' 

* 

& I * 

D0 ) 

= $3V # 1$ 3mA % ( 

' * = $1,36V 

& 10mA ) 

"R S = U GS 

I D 

S = 2 

U P 

! 

= 1,36V 

+ 450, 

3mA 

S = "I D 

"U GS 

# ID0 #ID = 2 

mA 

# 10mA#3mA = 3,7 

3V V 

% 1A 

V

! 

! 

! 

Sourcefolger (Drainschaltung) 

Verstärkung wie beim Bipolartransistor als Emitterfolger! 

R S

Grundschaltungen des FET 


Messung der Steuerkennlinie eines JFET‘s 

U 

GS 

= U 

P 

" 1# I $ ' 

& D ) 

& 

% I ) 

D0 ( 

aus ID = 

ID0 UGS #U $ ' 2 

& P ) 

& 

% U 

) 

P ( 

Der benutzte JFET BF145 ist ein n-Kanal 

JFET und darf daher nur mit negativer 

Gate-Spannung betrieben werden, damit 

die Gate-Diode gesperrt bleibt! 

Der Drainstrom I D ergibt sich aus dem 

Spannungsabfall u y am bekannten 

Source-Widerstand R S als Funktion von 

U GS . 

Damit lassen sich I D0 und U P bestimmen. 

Die maximale Steilheit S max lässt sich 

ebenfalls graphisch ablesen und aus der 

Formel für S=dI D /dU GS =S(U GS , I D0 , U P ) 

berechnen. Was ergibt der Vergleich? 

! 

ux=UGS 

uy=RS!iD 


+ 

12V 

ue

! 

! 

! 

JFET als steuerbarer Widerstand 

• Im Anlaufgebiet unterhalb der Kniespannung U K gilt (ohmscher Bereich): 

U 

DS K GS "UP , I = 

D I D0 

2 

U 

P 2# UGS "U $ 

2' 

& ( P )#UDS "U 

% 

DS ) 

( 

Kanalwiderstand r DS ist nichtlinear: 

r DS 

ua = ue " 

R1 + rDS r DS = U DS 

I D 

= 

r DSmin $ U P 

2"I D0 

U P 2 

( ) 

ID0 " 2" ( USt #UP )#UDS für U St = U GS = 0 

U = 

GS 1 

2 USt +U ( DS), 

wenn R " R >> r 

2 3 DS 

und der quadratische Term in U fällt heraus 

DS 

I = 

D ID0 U 2 

P USt +U % 

2 ( 

& ( DS)#U 

DS $2UP #UDS $UDS) = 

' 

* 

ID0 U 2 

P # USt $2U ( P ) #U 

DS 

r DS = U DS 

ID = 

Nach Linearisierung: 

05.12.2009 Hartmut Gemmeke, ! WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 11 17 

U P 2 

I D0 (U St $2U P ) 

Messung der Ausgangskennlinie eines JFETs 

• Schaltung zur oszilloskopischen 

Darstellung der Ausgangskennlinie 

I D = f(U DS) für eine konstante 

Steuerspannung eines JFETs (R 1 = 

!, R 2 = 0) 

Der minimale Kanalwiderstand r DS 

ist zu bestimmen. Wie gross ist r DS 

und wann wird dieser Wert erreicht? 

1 

= 2 k " 

• Demonstration der Linearitätsverbesserung 

im Anlaufbereich des 

FETs (R1 = R2 = 1 M") 

=> Der FET als einstellbarer 

linearer Widerstand für R1 ! R2 UGS 2 #U P #U $ 

' 

2 

& 

DS) 

mit k =ID0 /UP % 

( 

r DS 

1:2 


- 

10k 

R2 

R1 

G 

UGS 

100 

! 

D 

S 

RS 

ux=UDS 

uy=RS!iD

! 

• Arbeitspunktauswahl: 

Verstärkungsregelung mit JFET 

– kleinster Widerstand von FET N 1 bei U GS = 0V und 

größte Verstärkung von T 1 ! 

– Um symmetrische Aussteuerung 

zu ermöglichen, für U GS = 0V U a ! 5V 

mit Basisvorspannung einregeln! -12V 


JFET als Konstantstromquelle 

• JFET als Konstantstromquelle ohne Hilfsspannung: 

ID = ID0 1" U 2 

# & 

GS 

% ( , 

$ UP ' 

UGS UP =1" 

ID ID0 RS = UGS ID = UP ID # 

% 1" 

$ 

I & 

D 

( 

ID 0 ' 

µ = S) r DS ist die maximale Verstärkung, weitgehend unabhängig von I D , da 

S = *ID *UGS + ID und rDS = *UDS *ID +1/ ID in der Nähe der Kniespannung (11.17) 

z.B.: ID =1mA, ID0 =10 mA, UP = "3V, µ = 200 

, RS = 3V 

1mA 1" 

# 

% 

$ 

r DS = µ /S = µ ) U P 

2 I D 0 ) I D 

1mA & 

( = 2,05 k- 

10 mA ' 

Za = rDS( 1+ S ) RS) = rDS + µ ) RS = 95 k- + 200 ) 2,05 k- . 500k- 

= 

200 ) 3V 

= 95 k- 

2 10 mA )1mA 

nach Tietze - Schenk 

Innenwiderstand von Bipolar und FET Stromquellen für 1mA 


! 

Zerstörung von FETs durch elektrost. Entladung 

• Elektrostatische Aufladung von Personen in einer typischen 

Arbeitsumgebung: Schaltung soll elektrostatische Aufladung von 

zumindest 2kV überstehen: 

# Durchbruch des Gateoxyds oder 

# Überhitzung der Leiterbahnen 

• FET human body model 

• Eingangswiderstand R e der Schaltung 

sehr groß und Kapazität C e sehr klein: 

Q = U " C Body = 2000 V "1,510 #10 F = 310 #7 C 

$ = R Haut " C Body =1,5 k%"150 pF = 2,2510 #7 s 

I = Q/$ &1,5A 

• Lösung: 

• Schutzdioden 

• Schutz gegen ESD* am Arbeitsplatz 

* Electrostatic discharge 

150pF 


2kV 

1,5k"

Einführung in die Elektronik für Physiker

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