Feldeffekttransistoren (FETs) sind eine Gruppe vonTransistoren, bei denen im Gegensatz zu denBipolartransistoren nur ein Ladungstyp amelektrischen Strom beteiligt ist – abhängig von der Bauart:Elektronen oder Löcher bzw.Defektelektronen. Sie werden bei tiefen Frequenzen – im Gegensatz zu den Bipolartransistoren – weitestgehend leistungs- bzw. verlustfrei geschaltet. Die am weitesten verbreitete Art des Feldeffekttransistors ist derMOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor).
Entdeckt wurde das Prinzip des Feldeffekttransistors im Jahr 1925 vonJulius Lilienfeld. Damals war es aber noch nicht möglich, einen solchen FET auch tatsächlich herzustellen. Halbleitermaterial der unbedingt notwendigen Reinheit als Ausgangsmaterial kommt in der Natur nicht vor und Methoden zur Erzeugung hochreinen Halbleitermaterials waren noch nicht bekannt. Insofern waren auch die speziellen Eigenschaften von Halbleitern noch nicht ausreichend erforscht. Erst mit der Herstellung hochreiner Halbleiterkristalle (Germanium) Anfang der 1950er Jahre wurde dieses Problem gelöst.[1] Aber erst durch dieSilizium-Halbleitertechnologie (u. a.thermische Oxidation von Silizium) in den 1960er Jahren konnten erste Labormuster des FET hergestellt werden.[2][3]
Feldeffekttransistoren sind heute weit verbreiteteTransistoren und die wichtigste aktive Komponente in vielenintegrierten Schaltkreisen. Sie haben einen geringerenStromverbrauch und einen hohenEingangswiderstand, der für den Betrieb vieler Geräte erforderlich ist. Sie sind Halbleiterbauelemente mit einem halbleiterbasierten Kanal, der mit zweiElektroden verbunden ist. Die beiden Elektroden, drain („Senke“, „Abfluss“) und Source („Quelle“, „Zufluss“), sind mit den Enden verbunden. Eine dritte Elektrode, Gate („Tor“, „Gatter“), steuert den Stromfluss zwischen den zwei anderen Elektroden. Feldeffekttransistoren werden je nach Betriebsart in zwei Typen eingeteilt: Anreicherungsmodus (englisch:enhancement mode) und Verarmungsmodus (englisch:depletion mode). Dabei hängt es davon ab, ob die am Gate angelegteSpannung den Stromfluss durch den Kanal erhöht oder verringert. Das Prinzip des Feldeffekttransistors basiert auf der Möglichkeit, dass Ladung auf einem nahegelegenen Objekt Ladungen in einen Halbleiterkanal ziehen kann. Er funktioniert im Wesentlichen über einen elektrischen Feldeffekt.[4]
Die erste konkrete Beschreibung eines unbeheizten Bauelements mit Eigenschaften ähnlich einerElektronenröhre geht aufJulius Lilienfeld im Jahr 1925 zurück.[5] Damals fehlten aber die Technologien, diese Vorschläge zu realisieren.[6] In der Folgezeit erhielt Lilienfeld 1928 ein Patent auf eine Konstruktion, die dem heutigenIGFET nahekam.
Im Jahr 1934 meldete der deutsche PhysikerOskar Heil den ersten Feldeffekttransistor zum Patent an.[7] Weitere Versuche gab es von Holst und Geal 1936 und vonRudolf Hilsch undRobert Wichard Pohl 1938, Realisierungen sind aber nicht bekannt.
Die Beschreibung des erstenJFETs mit p-n-Übergang durchHerbert Mataré,Heinrich Welker und parallel dazuWilliam B. Shockley undWalter H. Brattain erfolgte 1945vor Erfindung desBipolartransistors 1948. Bis in die 1960er Jahre gab es aus technologischen Gründen Feldeffekttransistoren nur in Laboratorien.
Wegen anfänglich noch auftretender Probleme mit bipolaren Transistoren begann ab ca. 1955 eine eingehendere Forschungstätigkeit zu Halbleiteroberflächen sowie die Entwicklung vonFertigungsverfahren, die erste Feldeffekttransistoren zur Serienreife brachten.Mehrere Wissenschaftler und Ingenieure leisteten hier Pionierarbeit, u. a. derSüdkoreanerDawon Kahng und derÄgypterMartin M. Atalla. Ihre Arbeit bei denBell Telephone Laboratories mündete ab 1960 in mehrere Patente.[8] Die erste Patentanmeldung im deutschsprachigen Raum zur Fertigung serienreifer Feldeffekttransistoren erfolgte am 19. Mai 1961 beimDPMA mit dem Titel:Halbleitereinrichtung (späterVerstärkendes Halbleiterbauelement genannt).[9]
Zu heutigen Herstellungsverfahren von Feldeffekttransistoren zählt insbesondere diePlanartechnik und dieFinFET-Technik.
Im Gegensatz zu denstromgesteuertenBipolartransistoren sind Feldeffekttransistorenspannungsgesteuerte Schaltungselemente. Die Steuerung erfolgt über die Gate-Source-Spannung, welche zur Regulation des Kanalquerschnittes bzw. derLadungsträgerdichte dient, d. h. desHalbleiter-Widerstands, um so die Stärke eineselektrischen Stromes zu schalten oder zu steuern.
Der FET verfügt über drei Anschlüsse:
BeimMOSFET kann ein vierter AnschlussBulk (Substrat) vorhanden sein. 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-dotierteHalbleitermaterial wird dabei durch die angelegte Spannung bzw. das dadurch entstehendeelektrische Feld entweder verarmt oder mit Ladungsträgern angereichert.
Der entscheidende schaltungstechnische Unterschied zum bipolarenTransistor 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 FET zu, weil die meisten Typen sowohl unsymmetrisch aufgebaut als auch die Anschlüsse Bulk und Source intern verbunden sind. 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 dieLeitfähigkeit der Gebiete zu steuern.
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Bipolar- sowie Feldeffekttransistoren wurden 1984 auf Basis von MISFETs derBipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (englischinsulated-gate bipolar transistor, IGBT) entwickelt. Er stellt eine Kombination von Feldeffekttransistor und Bipolartransistor dar, ist aber im Einsatzbereich auf höhere Betriebsspannungen limitiert.
Beim Sperrschicht- oderJunction-Feldeffekttransistor (JFET oder SFET) wird der Stromfluss durch den zwischenDrain undSource liegenden Stromkanal mithilfe einer Sperrschicht (vgl.p-n-Übergang,englischjunction) zwischenGate und dem Kanal gesteuert. Das ist möglich, da die Ausdehnung der Sperrschicht und damit die Größe der Einschnürung des Stromkanals von der Gate-Spannung abhängig ist (siehe auchRaumladungszone).
Analog zumIsolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET, MISFET, MOSFET) wird die Gruppe der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) auch als NIGFET (englischnon insulated-gate field-effect transistor) alsoFeldeffekttransistor ohne isoliertes Gate bezeichnet. Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Feldeffekttransistorarten (ohne isoliertes Gate, NIGFETs):
Bei einemIsolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET, von engl.insulated gate FET, auchFeldeffekttransistor mit isoliertem Gate genannt), trennt eine elektrisch nichtleitende Schicht die Steuerelektrode (gate) vom sogenannten Kanal, dem eigentlichen Halbleitergebiet in dem später der Transistorstrom zwischenSource undDrain fließt. Der übliche Aufbau eines solchen Transistors besteht aus einer Steuerelektrode aus Metall, einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht und dem Halbleiter, also einerMetall-Isolator-Halbleiter-Struktur. Transistoren des Aufbaus werden daher Metall-Isolator-Halbleiter- (MISFET, engl.metal insulator semiconductor FET) oder – wenn ein Oxid als Nichtleiter eingesetzt wird – Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET, engl.metal oxide semiconductor FET) genannt.
Der Stromfluss im Kanal wird dabei über das elektrische Potential am Gate gesteuert, genauer der Spannung zwischenGate undBulk bzw. Substrat. Das Gatepotential beeinflusst die Konzentration der Ladungsträgerarten (Elektronen,Defektelektronen) im Halbleiter, vgl.Inversion, und ermöglicht bzw. verhindert je nach Aufbau den Stromfluss zwischen Source und Drain. Beispielsweise werden bei einem n-Kanal-IGFET von Anreicherungstyp mit steigender Spannung zuerst die Defektelektronen, d. h. die vormaligen Majoritätsladungsträger, verdrängt und es bildet sich durch Ladungsträgerverarmung ein nichtleitendes Gebiet. Steigt die Spannung weiter, kommt es zur Inversion, das p-dotierte Substrat unterhalb desGates wird n-leitend und bildet einen leitfähigen Kanal zwischenSource undDrain, dessen Majoritätsladungsträger nun Elektronen sind. Auf diese Weise steuert die Spannung zwischenGate undBulk den Stromfluss zwischenSource undDrain.
Aus technologischen Gründen hat sich hier die WerkstoffkombinationSiliziumdioxid-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):
Der Widerstandskanal erstreckt sich vonSource bisDrain. DieStromstärke am Drain steigt linear mit derSpannung an Drain an. Die Spannung am Gate und Drain ist ausreichend hoch, um den Widerstandskanal abzuschnüren. Die Stromstärke am Drain bleibt bei steigender Spannung konstant. Die Sättigungsspannung am Drain steigt, wenn die Spannung am Gate von der statischen Abschnürspannung gegen 0 geht. Für den Einsatz inVerstärkern sind die Eigenschaften im Sättigungsbereich wichtig. Bei gleichmäßiger Dotierstoffverteilung im Kanal ist die Abhängigkeit der Stromstärke am Drain von der Spannung am Gate
wobei der Sättigungsstrom am Drain
durch die Trägerbeweglichkeit, den Dotierungsgrad im Kanal sowie die Kanaltiefe, Kanalbreite und Kanallänge bestimmt wird. ist die Dielektrizitätskonstante.[10]
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Grundsätzlich können vier unterschiedliche Typen von MOSFETs konstruiert werden, selbstleitende und selbstsperrende mit einem p- bzw. n-Kanal. Die üblicherweise für die Kennzeichnung von Dotierungen genutzten Zeichen n und p stehen hier jedoch nicht für eine Dotierung (beispielsweise für den Kanal), sondern kennzeichnet die Art der Majoritätsladungsträger, das heißt die Ladungsträger, die für den Transport des elektrischen Stroms genutzt werden.[11] Hierbei steht n für Elektronen und p für Defektelektronen als Majoritätsladungsträger.
AlsSchaltzeichen werden im deutschsprachigen Raum meist die nebenstehend abgebildeten Schaltzeichen mit den Anschlüssen für Gate, Source, Drain und Body/Bulk (mittiger Anschluss mit Pfeil) genutzt. Dabei kennzeichnet die Richtung des Pfeils am Body/Bulk-Anschluss die Kanal-Art, das heißt die Majoritätsladungsträgerart. Hierbei kennzeichnet ein Pfeil zum Kanal einen n-Kanal- und ein Pfeil weg vom Kanal einen p-Kanal-Transistor. Ob der Transistor selbstsperrend oder selbstleitend ist, wird wiederum über eine gestrichelte („Kanal muss erst invertiert werden“ – Anreicherungstyp, selbstsperrend) bzw. eine durchgängige („Strom kann fließen“ – Verarmungstyp, selbstleitend) Kanallinie dargestellt. Darüber hinaus sind aber vor allem im internationalen Umfeld auch weitere Zeichen üblich, bei denen der üblicherweise mit Source verbundene Body/Bulk-Anschluss nicht dargestellt wird.[11]
Entsprechend wie bei bipolaren Transistoren mit ihrenGrundschaltungen Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung gibt es bei FETs Grundschaltungen, bei denen jeweils einer der Anschlüsse signalmäßig auf Masse gelegt ist und die anderen beiden als Eingang bzw. als Ausgang fungieren.
Der Einsatz der verschiedenen Bauformen der Feldeffekttransistoren ist vor allem abhängig von den Ansprüchen an Stabilität und Rauschverhalten. Grundsätzlich gibt es Feldeffekttransistoren für alle Einsatzgebiete, dabei werden jedoch dieIGFETs eher in derDigitaltechnik eingesetzt,JFETs eher in derHochfrequenztechnik.[12]
Leistungs-MOSFET sind Bipolartransistoren hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Verlusten insbesondere bei Spannungen bis ca. 950 V (Super-Mesh-V-Technologie) überlegen. Sie werden daher in Schaltnetzteilen und Schaltreglern eingesetzt. Aufgrund der damit möglichen hohenSchaltfrequenzen (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 imAutomotive-Bereich verbreitet. Darüber hinaus finden sie Anwendung als HF-Leistungsverstärker meist gefertigt in Bauformen mit speziellen Kennlinien und Gehäusen. Klasse-D-Audioverstärker arbeiten in denPWM-Schaltstufen mit MOSFETs.
