Ein Feldeffekttransistor (FET) ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen. Sein Betrieb basiert auf einer gesteuerten Eingangsspannung. Äußerlich sind sich JFET und bipolare Transistoren sehr ähnlich. Allerdings ist der BJT ein stromgesteuertes Bauelement, während der JFET durch die Eingangsspannung gesteuert wird. Meistens gibt es zwei Arten von FETs.

• Junction-Feldeffekttransistor (JFET)
• Metalloxid-Halbleiter-FET (IGFET)

Junction-Feldeffekttransistor

Die Funktionsweise von Junction-Feldeffekttransistoren hängt ausschließlich vom Fluss der Majoritätsträger (Elektronen oder Löcher) ab. JFETs bestehen im Wesentlichen aus einem Siliziumstab vom Typ N oder P, der an den Seiten PN-Übergänge enthält. Nachfolgend einige wichtige Punkte, die man sich über FET merken sollte –

• Gate – Durch Diffusion oder Legierungstechnik werden beide Seiten des N-Typ-Stabs stark dotiert, um PN-Übergänge zu schaffen. Diese dotierten Bereiche werden Gate (G) genannt.

• Source – Es ist der Eintrittspunkt für Majoritätsträger, durch den sie in den Halbleiterstab eintreten.

• Drain – Es ist der Austrittspunkt für Majoritätsträger, durch den sie den Halbleiterstab verlassen.

• Kanal – Es ist der Bereich des N-Typ-Materials, durch den die Majoritätsträger von der Source zum Drain gelangen.

Es gibt zwei Arten von JFETs, die üblicherweise in den Feld-Halbleitergeräten verwendet werden: N-Kanal-JFET und P-Kanal-JFET.

N-Kanal-JFET

Der N-Kanal-JFET hat eine dünne Schicht aus N-Material auf einem P-Substrat. Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur und das schematische Symbol eines N-Kanal-JFETs. Dann wird das Gate auf dem N-Kanal mit P-Material gebildet. Am Ende des Kanals und des Gates sind Leitungsdrähte angebracht, und das Substrat hat keine Verbindung.

Wenn eine Gleichspannungsquelle an die Source- und die Drain-Leitung eines JFET angeschlossen wird, fließt ein maximaler Strom durch den Kanal. Von den Source- und Drain-Anschlüssen fließt die gleiche Strommenge. Die Menge des durch den Kanal fließenden Stroms wird durch den Wert von VDD und den Innenwiderstand des Kanals bestimmt.

Ein typischer Wert des Source-Drain-Widerstands eines JFET liegt bei einigen hundert Ohm. Es ist klar, dass auch bei offenem Gate ein voller Stromfluss im Kanal stattfindet. Im Wesentlichen steuert die Höhe der an ID angelegten Vorspannung den Fluss der Stromträger, die durch den Kanal eines JFETs fließen. Mit einer kleinen Änderung der Gatespannung kann der JFET zwischen Vollstromleitung und Cutoff-Zustand gesteuert werden.

P-Kanal-JFETs

Der JFET besteht aus einer dünnen Schicht aus P-Material auf einem N-Substrat. Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur und das schematische Symbol eines N-Kanal-JFETs. Das Gate wird auf dem P-Kanal mit N-Material gebildet. An den Enden des Kanals und des Gates sind Anschlussdrähte angebracht. Die übrigen Konstruktionsdetails sind ähnlich wie bei einem N-Kanal-JFET.

Normalerweise wird für den allgemeinen Betrieb der Gate-Anschluss positiv in Bezug auf den Source-Anschluss gemacht. Die Größe der Verarmungsschicht des P-N-Übergangs hängt von den Schwankungen der in Sperrichtung vorgespannten Gatespannung ab. Mit einer kleinen Änderung der Gatespannung kann der JFET zwischen Vollstrom und Sperrzustand gesteuert werden.

Ausgangscharakteristik des JFET

Die Ausgangscharakteristik des JFET wird zwischen Drain-Strom (ID) und Drain-Source-Spannung (VDS) bei konstanter Gate-Source-Spannung (VGS) wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Anfänglich steigt der Drainstrom (ID) schnell mit der Drain-Source-Spannung (VDS) an, wird jedoch bei einer Spannung, die als Pinch-Off-Spannung (VP) bezeichnet wird, plötzlich konstant. Oberhalb der Pinch-Off-Spannung wird die Kanalbreite so schmal, dass nur noch ein sehr geringer Drain-Strom fließen kann. Daher bleibt der Drainstrom (ID) oberhalb der Pinch-Off-Spannung konstant.

Parameter des JFET

Die wichtigsten Parameter des JFET sind –

• AC-Drain-Widerstand (Rd)
• Transduktanz
• Verstärkungs Faktor

AC-Drain-Widerstand (Rd) – Er ist das Verhältnis zwischen der Änderung der Drain-Source-Spannung (ΔVDS) und der Änderung des Drain-Stroms (ΔID) bei konstanter Gate-Source-Spannung. Es kann ausgedrückt werden als,

Rd = (ΔVDS)/(ΔID) bei konstanter VGS

Transduktanz (gfs) – Es ist das Verhältnis der Änderung des Drainstroms (ΔID) zur Änderung der Gate-Source-Spannung (ΔVGS) bei konstanter Drain-Source-Spannung. Es kann ausgedrückt werden als,

gfs = (ΔID)/(ΔVGS) bei konstanter VDS