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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 Steuerelektrode. Mit ihm läßt sich der Widerstand zwischen Drain D und Source S steuern.
Die Steuerspannung ist UGS. Viele Fets sind symmetrisch, d.h. sie ändern ihre Eigenschaften nicht, wenn man S und D vertauscht. Bei Sperrschichtfets ist das Gate durch einen pn- bzw. np- Übergang vom Kanal DS getrennt.
Bei richtiger Polung von UGS sperrt diese Diode und isoliert das Gate; bei umgekehrter Polung wird sie leitend. Bei Mosfets isoliert eine dünne SiO2-Schicht das Gate vom Kanal DS. Daher kann bei ihnen nie ein Gatestrom fließen, unabhängig von der Polung des Gates. Die im Betrieb auftretenden Gateströme liegen bei Sperrschichtfets zwischen 1 pA und 1 nA; bei Kleinsignal-Mosfets sind sie zum Teil sogar noch kleiner. Damit verbunden sind Eingangswiderstände von 1010 bis 1013 W.
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 Schaltung umpolt. Eventuell vorhandene Dioden und Elektrolytkondensatoren müssen dann natürlich ebenfalls umgepolt werden.
Bei Sperrschichtfets fließt der größte Drainstrom bei der Spannung UDS = 0. Sie werden daher als selbstleitend bezeichnet. Dasselbe Verhalten zeigen die Depletion-Mosfets. - Enhancement-Mosfets sperren dagegen bei UGS gleich Null. Wir nennen sie daher selbstsperrend. Ein Drainstrom fließt bei n-Kanal-enhancement-Mosfets erst, wenn UGS einen bestimmten positiven Wert überschreitet.
Zwischen Enhancement- und Depletion-Mosfets gibt es Übergangstypen, z.B. auch solche, bei denen bei UGS = 0 ein mittlerer Drainstrom fließt.
Bei Mosfets ist häufig ein vierter Anschluß, das Substrat (Bulk B), herausgeführt. Diese Elektrode hat ähnlich steuernde Wirkung wie das Gate. Sie ist jedoch nur durch eine Sperrschicht vom Kanal isoliert.
Im allgemeinen nützt man ihre Steuerwirkung nicht aus und verbindet sie mit der Sourceelektrode. Benötigt man zwei Steuerelektroden, verwendet man Mosfet-Tetroden, die zwei gleichberechtigte Gates besitzen.
Bei n-Kanal-Fets ist die Sourceelektrode auf negativeres Potential zu legen als die Drainelektrode; bei Umpolung übernimmt die Drainelektrode die Funktion der Sourceelektrode. Bei n-Kanal-Fets wirkt also jeweils die Kanalelektrode mit dem niedrigeren Potential als Source.
2 Grundschaltungen
In Analogie zu den bipolaren Transistoren unterscheidet man Source-, Drain- und Gateschaltung, je nachdem, welche Elektrode auf konstantem Potential liegt.
2.
1 Sourceschaltung
Die Sourceschaltung entspricht der Emitterschaltung bei bipolaren Transistoren. Der Unterschied besteht darin, daß die Gate-Kanal-Diode in Sperrichtung betrieben wird. Daher fließt praktisch kein Eingangsstrom, und der Eingangswiderstand ist sehr hoch. Durch Vergleich der Kennlinienfelder und Kleinsignalparameter erhält man folgende Korrespondenz:
IC ® ID S ® S
IE ® IS Sr ® Sr » 0
IB ® IG » 0 rBE ® rGS » ¥
UCE ® UDS rCE ® rDS
UBE ® UGS b ® S rGS » ¥
A = - S (RD||rDS) .
Daraus folgt für den Grenzübergang RD >> rDS die Maximalverstärkung
A = - S rDS = - µ .
Sie ist im Bereich
0,1IDS < ID < IDS
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.
Der Klirrfaktor ist wie beim Bipolartransistor proportional zur Eingangsamplitude, jedoch abhängig vom Arbeitspunkt. Er nimmt umgekehrt proportional zu ab.
Wenn er 1% nicht überschreiten soll, muß die Eingangsamplitude unter 66 mV bleiben. Bei einer Spannungsverstärkung von 20 entspricht dies einer max.
Ausgangsamplitude von 1,3 V. Das ist wesentlich mehr, als man mit Bipolartransistoren in der entsprechenden Schaltung 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 Sperrschicht-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 Sperrschicht-Fets. Mosfets eignen sich für rauscharme Schaltungen 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, Sourfefolger
Die Drainschaltung besitzt einen höheren Eingangswiderstand als die Sourceschaltung. Das ist aber im allgemeinen von geringer Bedeutung, weil er schon in Sourceschaltung sehr hoch ist. Vorteilhaft kann sein, daß die Eingangskapazität verkleinert wird.
Im Unterschied zum Emitterfolger ist der Ausgangswiderstand des Sourcefolgers unabhängig vom Innenwiderstand Rg der Signalquelle.
1. Übung: Messen der Steuerkennlinie und des
Ausgangskennlinienfeldes eines n-Kanal J-FET
verw. Typ: BF245, UDS = 5,10,15V
Meßschaltung:
-
-
+
+
=
=
S
D
G
10k
UDS
UGS
1.2 Meßtabelle für Steuerkennlinie:
UDS = 5V: UDS = 10V: UDS = 15V:
UGS [V]
ID [A]
UGS [V]
ID [A]
UGS [V]
ID [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
-6
0
-6
0
-6
0
1.3 Meßtabelle für Ausgangskennlinienfeld:
UGS = 0V: UGS = -1V: UGS = -2V: UGS = -3V: UGS = -4V:
UDS [V]
ID [mA]
ID [mA]
ID [mA]
ID [mA]
ID [mA]
0
0
0
0
0
0
1
5,4
4,1
2,8
1.
45
0.25
2
9
6,4
4
1,85
0,3
3
11
7,5
4,5
2,1
0,35
4
12
8,3
4,7
2,13
0,37
5
12,4
8,4
4,9
2,3
0,42
6
12,7
8,5
5
2,4
0,5
7
12,8
8,6
5,1
2,47
0,55
8
13
8,7
5,2
2,5
0,53
9
13
8,7
5,2
2,5
0,53
10
13
8,7
5,2
2,5
0,53
2. Übung: Dimmensionierung einer Verstärkerschaltung
geforderte Daten: UDS = 5V
Ub = 12V
RG = 1MW
fg = 30Hz
UAP
~
RG
1M0
RD
1k0
RS
270R
C2
ua
C1
ue
2.1 Meßschaltung:
2.2 Schaltungsberechnung:
2.3 Gemessene Werte der Verstärkerschaltung:
ue = 1Vs ID = 6,9mA
ua = 2.
3Vs UAP = 5V
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