Sperrschicht-Feldeffektransistoren (JFET)

Sperrschicht-FETs werden im Englischen als JFET bezeichnet. Das J steht für Junction, was Sperrschicht bedeutet.
Sperrschicht-FETs gibt es als n-Kanal- und p-Kanal-Typen.

n-Kanal-Typ

n-Kanal-Sperrschicht-FET
Der n-Kanal-Typ hat eine n-leitende Kristallstrecke und zwei p-leitende Zonen.
Der n-Kanal-Sperrschicht-FET hat eine positive Drainspannung UDS und eine negative Gatespannung UGS.

p-Kanal-Typ

p-Kanal-Sperrschicht-FET
Der p-Kanal-Typ hat eine p-leitende Kristallstrecke und zwei n-leitende Zonen.
Der p-Kanal-Sperrschicht-FET hat eine negative Drainspannung UDS und eine positive Gatespannung UGS.

Funktionsweise des JFET

Die physikalische Funktionsweise wird am n-Kanal-Sperrschicht-FET erklärt.
Prinzipbild eines Sperrschicht-FET
Der n-Kanal-Sperrschicht-FET besteht aus einer n-leitenden Kristallstrecke. In die Seiten sind zwei p-leitende Zonen eindotiert. Diese beiden Zonen sind elektrisch miteinander verbunden und werden als Gate-Anschluss (G) aus dem Bauteil herausgeführt. Der n-Kanal hat jeweils zwei Anschlüsse. Den Drain (D) und den Source (S). Wenn an diesen Anschlüssen eine Spannung angelegt wird, dann fließt ein Elektronenstrom von Source nach Drain.

Die n-leitende Schicht hat gegenüber den p-leitenden Schichten eine positive Spannung. Um die p-leitenden Zonen entsteht eine Sperrschicht (Raumladungszone). Die Breite der Sperrschichten nimmt mit der an Source und Drain anliegenden Spannungshöhe im n-Kanal zu. Die Spannung wird zum Drain hin größer. Daher ist dort die Sperrschicht etwas breiter. Die p-Zonen haben eine Spannung von 0 V. In ihnen fließt kein Strom.

Innerhalb der Sperrschichten befinden sich keine frei beweglichen Ladungsträger (Elektronen). Die Elektronen im n-Kanal müssen den Weg zwischen den Sperrschichten nehmen.
Legt man an den Gate-Anschluss eine negative Spannung UGS an, dann werden die Sperrschichten größer. Der n-Kanal wird dünner. Der Strom durch den n-Kanal wird mit ID bezeichnet und wird kleiner. Je negativer die Spannung UGS, desto breiter sind die Sperrschichten, desto größer der n-Kanal-Widerstand, desto kleiner der Strom ID.

Wegen der Eigenleitung von Halbleiterkristallen lässt sich ein kleiner Sperrstrom durch die Sperrschicht in die p-Zonen nicht verhindern. Er ist allerdings so klein, dass sich die Sperrschicht nahezu leistungslos verändern lässt. Die Sperrschichtbreite und dadurch der Stromfluss durch den FET wird nur mit der Spannung UGS gesteuert.

Kennlinienfeld

Kennlinienfeld eines Fet
Die typische Kennlinien eines FET kommen aus einem Punkt, im Gegensatz zum Bipolaren Transistor, bei dem die Kennlinien aus einem Stamm kommen.
Jede der Kennlinien gilt für eine bestimmte Gatespannung UGS. Bei einer Gatespannung von 0 V ist die Sperrschicht am schmalsten bzw. kleinsten. Hier fließt der größte Strom ID durch den Kanal. Ab der Abschnürgrenze lässt sich der Strom durch den Kanal nicht mehr erhöhen. Ab dieser Drainspannung UDS wird der Drainstrom ID nicht mehr wesentlich größer. Steigt die Drainspannung auf einen zu hohen Wert an, entsteht ein Durchbruch der Sperrschicht. Der Durchbruch ist mit dem Zener-Effekt der Z-Diode vergleichbar und hat die Zerstörung des Feldeffekttransistors zur Folge.

Schaltzeichen

Schaltzeichen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistorn-Kanal-Sperrschicht-FET

Schaltzeichen P-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistorp-Kanal-Sperrschicht-FET

Anwendungen

  • Analogschalter (IC)
  • Schalten von Wechselspannungen
  • Konstantstromquelle
  • Verstärker

Sperrschicht-FETs werden in Verstärkern, in Schalterstufen und Oszillatoren eingesetzt. Ein besonderer Vorteil ist ihr großer Eingangswiderstand, der eine leistungslose Steuerung ermöglicht.
Der FET eignet sich auch für hochfrequente Anwendungen. Aber, wenn der sehr hohe Eingangswiderstand im Vordergrund steht, dann kann die JFET- oder MOSFET-Schaltung nicht auch noch für hohe Frequenzen zum Einsatz kommen. Das ist dann der Fall, wenn die Quellimpedanz (Ausgangswiderstand der vorgeschalteten Schaltung) auch sehr hoch ist.
Für große Ströme eignet sich der JFET nicht. Dafür gibt es die Power-MOS-FETs. Man kann den JFET durchaus als Schalter verwenden, wenn die Ströme klein sind. Zum Beispiel als Signalschalter.

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