Feldeffekttransistor

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Feldeffekttransistoren oder FETs sind eine Gruppe von Transistoren, bei denen im Gegensatz zu den Bipolartransistoren nur ein Ladungstyp am elektrischen 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. verlustlos geschaltet. Die am weitesten verbreitete Art des Feldeffekttransistors ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor).

Anschlüsse und Dotierungen im Substrat eines n-Kanal-MOSFET

Entdeckt wurde das Prinzip des Feldeffekttransistors im Jahr 1925 von Julius Lilienfeld. Damals war es aber noch nicht möglich, einen solchen FET auch tatsächlich herzustellen. Halbleitermaterial der 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 die Silizium-Halbleitertechnologie (u. a. thermische Oxidation von Silizium) in den 1960er-Jahren konnten erste Labormuster des FET hergestellt werden.[2][3]

Geschichte[Bearbeiten]

Laborversuche[Bearbeiten]

Die erste konkrete Beschreibung eines Bauelements mit Eigenschaften ähnlich denen einer Elektronenröhre geht auf Julius Lilienfeld im Jahr 1925 zurück.[4] Zu dieser Zeit fehlten allerdings die notwendigen Technologien, diese Vorschläge zu realisieren.[5] In der Folgezeit finden sich ähnliche Versuche von Joseph Weber (1930), Holst und Geal (1936) und vor allem Rudolf Hilsch und Robert Wichard Pohl (1938), das Gitter der Elektronenröhren in Festkörpern, insbesondere in Kristallen nachzubauen, von denen jedoch auch keine Realisierungen bekannt sind.

Nachdem Lilienfeld 1928 daraufhin davon abweichend eine Konstruktion vorschlug und patentieren ließ, die dem heutigen IGFET sehr nahekam, konstruierte der deutsche Physiker Oskar Heil 1934 den ersten Feldeffekttransistor, den er ebenfalls zum Patent anmeldete.[6]

Auch die folgende Beschreibung des ersten JFETs mit einem p-n-Übergang als Steuerung durch Herbert Mataré, Heinrich Welker und parallel dazu William B. Shockley und Walter H. Brattain erfolgte bereits 1945 und damit vor Erfindung des Bipolartransistors 1948. Wegen der raschen Fortschritte allerdings, die man mit diesen Transistoren machte, und weil sich Feldeffekttransistoren mit den damaligen Technologien und dem damaligen Kenntnisstand noch nicht wirtschaftlich fertigen ließen, wurden Feldeffekttransistoren bis in die 1960er Jahre nicht außerhalb von Laboratorien eingesetzt.

Serienreife[Bearbeiten]

Wegen anfänglich noch auftretender Probleme mit bipolaren Transistoren begann ab ca. 1955 eine eingehendere Forschungstätigkeit zu Halbleiteroberflächen sowie die Entwicklung von Fertigungsverfahren, die erste Feldeffekttransistoren zur Serienreife brachten. Mehrere Wissenschaftler und Ingenieure leisteten hier Pionierarbeit, u. a. der Südkoreaner Dawon Kahng und der Ägypter Martin M. Atalla. Ihre Arbeit bei den Bell Telephone Laboratories mündete ab 1960 in mehrere Patente.[7] Die erste Patentanmeldung im deutschsprachigen Raum zur Fertigung serienreifer Feldeffekttransistoren, erfolgten am 19. Mai 1961 beim DPMA mit den Titel: Halbleitereinrichtung (später Verstärkendes Halbleiterbauelement genannt).[8]

Zu heutigen Herstellungsverfahren von Feldeffekttransistoren zählt insbesondere die Planartechnik und die FinFET-Technik.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Das Grundprinzip

Im Gegensatz zu den stromgesteuerten Bipolartransistoren sind Feldeffekttransistoren spannungsgesteuerte Schaltungselemente. Die Steuerung erfolgt über die Gate-Source-Spannung, welche zur Regulation des Kanalquerschnittes bzw. der Ladungsträgerdichte dient, d. h. des Halbleiter-Widerstands, um so die Stärke eines elektrischen Stromes zu schalten oder zu steuern.

Der FET verfügt über drei Anschlüsse:

  • Source (englisch für „Quelle“, „Zufluss“)
  • Gate (englisch für „Tor“, „Gatter“) – der Steuerelektrode
  • Drain (englisch für „Senke“, „Abfluss“)

Beim MOSFET ist auch ein vierter Anschluss Bulk (Substrat) vorhanden. 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-dotierte Halbleitermaterial wird dabei durch die angelegte Spannung bzw. das dadurch entstehende elektrische Feld entweder verarmt oder mit Ladungsträgern angereichert.

Der entscheidende schaltungstechnische Unterschied zum bipolaren Transistor 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 FETs 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 die Leitfähigkeit der Gebiete zu steuern. FETs weisen außerdem eine geringere Steilheit ΔIAusgangUsteuer gegenüber vergleichbaren Bipolartransistoren auf.

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Bipolar- sowie Feldeffekttransistoren wurden 1984 auf Basis von MISFETs der Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, IGBT) entwickelt. Er stellt eine Kombination von Feldeffekttransistor und Bipolartransistor dar, ist aber im Einsatzbereich auf höhere Betriebsspannungen limitiert.

Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET)[Bearbeiten]

Schema eines n-Kanal-JFET

Beim Sperrschicht- oder Junction-Feldeffekttransistor (JFET oder SFET) wird der Stromfluss durch den zwischen Drain und Source liegenden Stromkanal mithilfe einer Sperrschicht (vgl. p-n-Übergang, engl. junction) zwischen Gate und dem Kanal gesteuert. Das ist möglich, da die Ausdehnung der Sperrschicht, also die Größe der Zone, die den entgegengesetzten Leitungstyp des Kanalmaterials besitzt, von der Gate-Spannung abhängig ist (siehe auch Raumladungszone).

Analog zum Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET, MISFET, MOSFET) wird die Gruppe der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) auch als NIGFET (englisch non insulated-gate field-effect transistor) also Feldeffekttransistor ohne isoliertes Gate bezeichnet. Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Feldeffekttransistorarten (ohne isoliertem Gate, NIGFETs):

Isolierschichtfeldeffekttransistor (IGFET, MISFET, MOSFET)[Bearbeiten]

Schema eines n-Kanal-MOSFET (mit bereits ausgebildetem, leitendem Kanal zwischen Source und Drain)

Hauptartikel: MOSFET, der derzeit meist eingesetzte Isolierschichtfeldeffekttransistor

Bei einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET, von engl. insulated gate FET, auch Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate genannt), trennt eine elektrisch nichtleitende Schicht die Steuerelektrode (gate) vom sogenannten Kanal, dem eigentlichen Halbleitergebiet in dem später der Transistorstrom zwischen Source und Drain fließt. Der übliche Aufbau eines solchen Transistors besteht aus einer Steuerelektrode aus Metall, einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht und dem Halbleiter, also einer Metall-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 insulator semiconductor FET) genannt.

Der Stromfluss im Kanal wird dabei über das elektrische Potential am Gate gesteuert, genauer der Spannung U_{GB} zwischen Gate und Bulk 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-IGEFT von Anreicherungstyp mit steigender Spannung U_{GB} 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 des Gates wird n-leitend und bildet einen leitfähigen Kanal zwischen Source und Drain, dessen Majoritätsladungsträger nun Elektronen sind. Auf diese Weise steuert die Spannung zwischen Gate und Bulk den Stromfluss zwischen Source und Drain.

Aus technologischen Gründen hat sich hier die Werkstoffkombination Siliziumdioxid-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):

Typen und Schaltzeichen[Bearbeiten]

Grundtypen von Feldeffekttransistoren

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.[9] Hierbei steht n für Elektronen und p für Defektelektronen als Majoritätsladungsträger.

Als Schaltzeichen 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.[9]

Grundschaltungen[Bearbeiten]

Entsprechend wie bei bipolaren Transistoren mit ihren Grundschaltungen 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.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten]

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 die IGFETs eher in der Digitaltechnik eingesetzt, JFETs eher in der Hochfrequenztechnik.[10]

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 hohen Schaltfrequenzen (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 im Automotive-Bereich verbreitet. Darüber hinaus finden sie Anwendung als HF-Leistungsverstärker meist gefertigt in Bauformen mit speziellen Kennlinien und Gehäusen. Klasse-D-Audioverstärker arbeiten in den PWM-Schaltstufen mit MOSFETs.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Reinhold Paul: MOS – Feldeffekttransistoren. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-55867-5.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Field-effect Transistors – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Feldeffekttransistor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  G. K. Teal, J. B. Little: Growth of germanium single crystals. In: Phys. Rev.. 78, 1950, S. 647, doi:10.1103/PhysRev.78.637 (Proceedings of the American Physical Society; Minutes of the Meeting at Oak Ridge, March 16-18, 1950).
  2.  D. Kahng: A historical perspective on the development of MOS transistors and related devices. In: Electron Devices, IEEE Transactions on. 23, Nr. 7, 1976, S. 655–657, doi:10.1109/T-ED.1976.18468.
  3.  S. M. Sze, Kwok Kwok Ng: Physics of semiconductor devices. John Wiley and Sons, 2007, ISBN 978-0-471-14323-9 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. Patent US1745175: Method and Apparatus For Controlling Electric Currents. Angemeldet am 22. Oktober 1925, Erfinder: J. E. Lilienfeld.
  5. Reinhold Paul, Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u. a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5
  6. Patent GB439457: Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. Erfinder: Oskar Heil (angemeldet in Deutschland am 2. März 1934).
  7. Bo Lojek: The history of semiconductor engineering. Springer. Berlin/Heidelberg, 2007, ISBN 978-35403-4257-1, S. 321 f.
  8. Patent DE1439921A: Halbleitereinrichtung. Angemeldet am 19. Mai 1961, veröffentlicht am 28. November 1968, Erfinder: Dawon Kahng (Priorität: US3102230, angemeldet am 19. Mai 1960).
  9. a b vgl.  Michael Reisch: Halbleiter-Bauelemente. Springer, 2007, ISBN 978-3-540-73200-6, S. 219 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10.  Heinz Beneking: Feldeffekttransistoren. Springer Verlag, Berlin 1973, ISBN 3-540-06377-3.