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Diese Seite ist nicht mehr aktuell. Sie werden in 5 Sekunden nach http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node97.html weitergeleitet. Feldeffekttransistoren beruhen auf dem Prinzip, dass ein elektrisches Feld die Ladungsträger in einer engen leitfähigen Zone verarmen oder anreichern kann. Besonders einfach lässt sich dieses Prinzip mit Halbleitermaterialien erreichen, da bei ihnen die Ladungsträgerkonzentration wesentlich geringer als in Metallen ist. Das Problem bei der Konstruktion ist, das steuernde Feld vom leitfähigen Kanal zu trennen. Wie Abbildung 34 zeigt, kann dies durch eine in Sperrrichtung gepolte pn-Diode oder durch eine mit einer dünnen Oxidschicht vom Kanal getrennte Steuerelektrode (Gate) geschehen. Die beiden andern Elektroden nennt man Source (Quelle) und Drain (Senke). Abbildung 35 zeigt einen typischen Aufbau eines solchen Feldeffekttransistors. Das Gate muss dabei negativ gegen die Source gepolt werden, um eine Abschnürung zu erreichen.
Abbildung 38: Kennlinien und Wirkungsweise von Unipolartransistoren
Abbildung 39: Kennlinien von selbstleitenden und selbstsperrenden FETs Die Grenzwerte von Feldeffekttransistoren sind ähnlich wie die von Bipolartransistoren. Im Gegensatz zu Bipolartransistoren ist der Temperaturkoeffizient des Source-Drain-Stromes negativ. Das heisst, dass eine Temperaturerhöhung im Transistor den Strom erniedrigt. (Bei Bipolartransistoren sinkt die Basis-Emitterspannung und steigt deshalb der Kollektorstrom bei steigender Temperatur. Da die Eingangswiderstände von Mosfet-Transistoren (und von höchstwertigen Junction-Fets) sehr hoch und die Eingangskapazitäten klein sind, können kleinste Ladungsmengen sehr hohe, zur Zerstörung führende Spannungen erzeugen. Werkzeuge, Lötkolben, Tisch und Mensch sind deshalb zu erden. Einige Transistoren beinhalten heutzutage Schutzdioden: diese Bauteile sind aber nicht für Anwendungen die kleinste Leckströme erfordern, geeignet.
Die Source-Schaltung (Abbildung 40) entspricht der Emitterschaltung (Abbildung 18). Im Gegensatz zur Emitterschaltung ist der Eingangswiderstand durch die in Sperrrichtung gepolte Gate-Kanal-Diode sehr hoch.
Abbildung 40: Source-Schaltung Zur Schaltungsanalyse können die Ergebnisse für Bipolartransistoren verwendet werden, wenn die folgenden Korrespondenzen verwendet werden:
()23 Aus Gleichung und Gleichung ergeben sich die Grundgleichungen für die Source-Schaltung.
()24 Die Verstärkung wird
()25 Wenn der Arbeitswiderstand RDS gross gegen den
Kanalwiderstand rDS wird, ergibt sich der Verstärkungsgrenzwert zu Der Arbeitspunkt in der Source-Schaltung wird ähnlich wie bei der Emitterschaltung durch einen Widerstand in der Source-Leitung eingestellt (Abbildung 41). Wenn die negative Gate-Spannung den Wert Up, die Pinch-off-Spannung, überschreitet, sperrt der FET vollständig.
Abbildung 41: Arbeitspunkteinstellung bei der Source-Schaltung. Dimensioniert wird die Schaltung mit dem Drainstrom ID als Vorgabe. Die dazugehörige Gate-Source Spannung UGS berechnet sich zu
()26 wobei IDS der maximale Drain-Strom ist. RS ergibt sich dann zu
()27 Beispielsweise erhält man für IDS = 10 mA, Up = -3 V und Id = 3 mA
()28 und daraus RS = 1,36V/3mA = 452 W. Das Drain-Ruhepotential muss hoch genug sein, um das Source-Potential auch bei der grössten Aussteuerung nicht zu stören, hier also etwa 2V(Aussteuerung)+2V(Toleranz)+2V(Ruhepotential) = 7V. Der Arbeitswiderstand wird also bei einer Betriebsspannung von 15V: 8V/3mA=2,7kW. Die Steilheit im Arbeitspunkt ist
()29 und damit die Verstärkung A = -SRD = -10. RG ist fast beliebig. Typischerweise wählt man Werte im Megaohmbereich. Diese Schaltung ist hervorragend geeignet, um eine hochohmige Quelle zu puffern. Die Eingangskapazität dieser Schaltung ist extrem klein (Kapazitäten, bei denen die anliegende Spannung sich nicht ändert, müssen nicht berücksichtigt werden!).
Abbildung 42: Schaltschema eines Source-Folgers Typische Werte für die Verstärkung (Steilheit S = 5mA/V und Source-Widerstand 1kW) sind A = 0,83 und ra=167W. Sehr viel kleinere Ausgangswiderstände ermöglicht eine Darlingtonschaltung aus FET und Bipolartransistor (Abbildung 42), da die Steilheit um den Stromverstärkungsfaktor des Bipolartransistors grösser ist..
Abbildung 43: Darlingtonschaltung mit FET KonstantstromquellenIm Gegensatz zu Bipolartransistoren kann mit Feldeffekttransistoren Stromquellen ohne Hilfsspannungen gebaut werden.
Abbildung 44: Stromquellen mit FETs Der Source-Widerstand kann mit
()30 und der Innenwiderstand mit
()31 angegeben werden. Mit typischen Werten (ID = 1mA, rDS = 80kW, S = 2mA/V und RS = 2kW) erhält man für ri = 400 kW. Dieser wert ist geringer als bei Bipolartransistoren, wächst aber bei steigendem RS über alle Grenzen.
Abbildung 45: Innenwiderstände von FET- und Bipolartransistor-Stromquellen Abbildung 45 legt nahe, als Arbeitswiderstand eine Stromquelle zu verwenden (siehe Abbildung 46).
Abbildung 46: Kaskadierte Stromquellen DifferenzverstärkerMit FETs können Differenzenverstärker mit sehr hohen Eingangswiderständen gebaut werden.
Abbildung 47: FET-Differenzverstärker
Abbildung 48: Grossignalverhalten.
Abbildung 49: Temperaturdrift von FETs Steuerbarer WiderstandEine beliebte Anwendung von FETs ist die als steuerbare Widerstände. Damit können durch Strom gesteuerte Potentiometer oder Schalter gebaut werden.
Abbildung 50: Kennlinienfelder für FETs bei der Anwendung als einstellbarer Widerstand
Abbildung 51: Zwei Schaltungen mit FETs als steuerbare Widerstände |
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. Er ist nur wenig vom Drainstrom abhängig und für
n-Kanal-FETs typischerweise zwischen 100 und 300 (bei p-kanal-FETs etwa die Hälfte). Das
Grosssignalverhalten von FETs ist wesentlich besser als das von Bipolarschaltungen. Dies
rührt daher, dass ein FET im wesentlichen ein steuerbarer Widerstand ist.
