Feldeffekttransistoren

Der Feldeffekttransistor ist der Transistor mit der weltweit häu­figs­ten Anwendung. Erklärt wird sein prinzipieller Aufbau, seine Funktionsweise und verschiedene Arten.

1 Infos Feldeffekttransistor
MOSFET IRL540N und IRF9540N

Der am meisten verwendete Feldeffekttransistor ist der MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field effect transistor. Der Name Transistor ist aus dem lateinischen zusammengesetzt und bedeutet soviel wie "über den Widerstand". Transitoren ermöglichen es eine den Widerstand einer Strecke zu steuern. Das besondere dieses Transistortyps ist, dass die Steurung des Widerstands über das elektrische Feld, sprich eine Spannung möglich ist. Dadurch fließen nur kurzzeitig Lade- und Entladeströme eines Kondensators.

Ein Bipolartransistor, welcher stromgesteuert funktioniert, hat höhere Verluste. Aus diesem Grund haben sich FETs in den meisten Bereichen durchgesetzt.

2 Aufbau und Funktion eines n-Kanal MOSFETs
Aufbau eines n-Kanal MOSFETs

Der Transistor hat drei Anschlüsse: Gate G (Tor) - den Steueranschluss der durch Si-Oxid vom Halbleiter isoliert ist, Drain D (Senke) und Source S (Quelle).

Legt man zwischen Drain D und Source S eine positive Spannung, können keine Ladungsträger fließen, da, ohne freie Ladungsträger, der Widerstand der Drain-Source-Strecke zu hoch ist. Beim Anlegen einer positiven Spannung zwischen Gate und Source werden jedoch freie Ladungsträger unter das Gate gezogen, so dass hier schon bei geringen Spannungen ein leitfähgier Kanal mit sehr geringem Widerstand entsteht. Je größer die Spannung UGS, desto leitfähiger der Kanal, bzw. desto kleiner der Widerstand RDS.

3 Das Gate

Die Funktion des Gates kann man gut am Beispiel eines Tors in einer Weide verstehen.

Den Druck erzeugen die Hunde der Schafherde. Er entspricht der elektrischen Spannung zwischen Drain und Source. Die Schafe entsprechen den einzelnen Ladungsträgern. Man gut erkennen wann es am Tor zum erhöhten Widerstand kommt.

4 Schaltzeichen verschiedener FETs
Schaltzeichen MOSFET

Man unterscheidet verschiedene Arten von Feldeffekttransitoren, die entsprechend an den Schaltzeichen erkennbar sind.

Das isolierte Gate erkennt man am fehlenden Kontakt zu Drain und Source.

Selbstleitende FETs, haben eine durchgehenden Kanal eingezeichnet, selbstsperrende FETs eine gestrichelte Linie.

Und dann unterscheidet man noch zwischen n- und p-Kanal-Transitoren. Bei n-Kanal-Transistoren wird der Kanal durch freie Elektronen, bei p-Kanal-Transistoren durch freie Löcher (fehlende Elektronen) erzeugt.

5 U-I-Kennlinien
<i>U-I</i>-Kennlinienfeld FET

Das sogenannte Ausganskennlinienfeld macht deutlich, dass mit steigender Gate-Source-Spannung immer höhere Ströme durch den Drain-Source-Kanal fließen können. Möchte man den Kanal vollständig freischalten, so dass der Widerstand der Strecke RDS minimal ist, ist darauf zu achten, dass die Spannung UGS je nach gefordertem Strom ID einen Mindestwert hat. Begrenzt nämlich der Transitor den Strom, hat dieser hohe Verluste.

Unterhalb der sogenannten Abschnürrspannung UP (engl. pinch-off) hat der Kanal einen nennenswerten Widerstand.

6 Transistor als Schalter
Schaltung Transistor als Schalter

Feldeffekttransitoren werden in den meisten Fällen als elektronischer Schalter einge­setzt. Um die Leistung an einem Verbraucher zu steuern, wird nicht etwa der Wider­stand der Drain-Source-Strecke um 50% erhöht, sondern eine pulsweiten modulierte Spannung auf das Gate gegeben.

Diese PWM-Spannung sorgt dafür, dass der Tran­sistor entweder zu (hochohmig) oder ganz offen (niederohmig) ist. Nun entscheidet das Verhältnis von Impulszeit ti zu Periodendauer T über die Leistung.

Der Vorteil: Die Verluste am Transistor sind minimal.

7 Transistor als Schalter
Arbeitspunkte Transistor als Schalter

Arbeitspunkt APAN: Drain-Source-Spannung, Maximaler Drainstrom

$$U_{DS}=U_{AK}\frac{R_{DSon}}{R_{DSon}+R_L}$$
$$I_D=\frac{U_{AK}}{R_{DSon}+R_L}$$

Arbeitspunkt APAUS: Drain-Source-Spannung, Maximaler Drainstrom

$$U_{DS}=U_{AK}$$
$$I_D=0$$

Tastverhältnis, Verlustleistung:

$$g={t_i}/{T}$$
$$P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=g \cdot R_{DSon} \cdot I_{D}^2$$


Aufgabe 1 Ausgangskennlinie

Ausgangskennlinie FET

Die Abbildung zeigt die Ausgangskennlinie des MOSFETs IRL540N für unterschiedliche Gatespannungen. Berechne für UGS = 2,5 V und UGS = 4 V

  1. den Widerstand der Drain-Source-Strecke RDSon. Lege hierfür eine Wertetabelle an.
  2. Ergänze die Wertetabelle mit der Verlustleistung an der Drain-Source-Strecke PV.
  3. Trage alle Werte in Abhängigkeit von UDS in ein gemeinsames Diagramm.
  4. Ab welchem Spannungswert steigt der Widerstand RDSon wesentlich an und woran erkennt man dies in der Ausgangskennlinie?

Wertetabelle und Diagramme für UGS = 2,5 V:

Wertetabelle FET
Diagramme FET

Aufgabe 2 Widerstand der Drain-Source-Strecke

Drain-Source-Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur

Die Abbildung zeigt für den MOSFET IRL540N die Abhängigkeit des Drain-Source-Widerstandes von der Temperatur.

  1. Analysiere das Diagramm. Beschreibe das Verhalten von RDSon in Abhängikeit von der Temperatur.

  2. Für eine Schaltung sollen zwei dieser MOSFETs parallel geschaltet werden, um einen höheren Stromfluss im Arbeitskreis zu ermöglichen. Es wird befürchtet, dass die beiden MOSFETs unterschiedlich hohe Verluste haben und so einer der MOSFETs aufgrund Überhitzung zerstört wird.
    Gib eine Stellungsnahme für ein Meeting ab. Wie wird sich der Strom in den beiden Bauteilen verteilen?

  1. Je größer T, desto größer RDSOn.

    Mit zunehmender Termperatur wird die Leitfähigkeit schlechter und somit die Verlustleistung höher

    .
  2. Je mehr Strom, desto höher der Widerstand.

    Durch den MOSFEt mit dem höheren Widerstand fließt weniger Strom. Somit erwärmt er sich weniger als der andere. Eine geringere Temperatur bedeutet aber auch einen kleineren Widerstand. Dadurch gleicht sich der Widerstand der beiden MOSFETs an, so dass es zu einer gleichmäßigen Stromverteilung kommt.

    Hätte die Kennlinie eine für Halbleiter typische negative Steigung, würde hingegen einer der MOSFETs durchbrennen.


Aufgabe 3 Oxid-Kapazität

Oxid-Kapazität FET

Die Abbildung zeigt für den MOSFET IRL540N die Abhängigkeit der Oxid-Kapazität von der Drain-Source-Spannung. Bestimme für für UDS = 1 V,

  1. die Oxid-Kapazität CGS.

  2. Das Gate wir mit einem Frequenzgenerator mit Ri = 50 Ω angesteuert. Wie lange dauert es bis der Kondensator geladen ist?

  3. Welche Gefahren entstehen hierbei ab welchen Schaltfrequenzen im Betrieb? Bewerte.

  1. $C=1,75~nF$,

  2. $\tau =R_i\cdot C_{GS}=$$50\Omega \cdot 1,75~nF=87,5~ns$,

    $5\tau =437,5~ns$.

  3. Während des Ladevorgangs ist der Bahnwiderstand hoch, insbesondere während einem τ und somit auch die Verluste. Aus diesem Grund sollte die kürzeste Impulszeit mindestens das doppelte der Ladezeit betragen, damit der Transistor sich nicht unzulässig erwärmt. Eine Impulsdauer von 1 μs entspricht einer maximalen Frequenz von 1 MHz.


Entspann dich erst mal ...

Lernen kann so schön sein. Hier kannst du dir alles nochmal auf Englisch erklären lassen. Aber keine Sorge, es gibt deutsche Untertitel.

Aufgabe 4 Transistor als Schalter

Ausgangskennlinie FET

Der Transistor IRL540N soll als Schalter bei 2,5 kHz dimensioniert werden. Der Widerstand der Drain-Source-Strecke beträgt RDSon = 44 mΩ, die Versorgungsspannung im Arbeitskreis 10 V und der Lastwiderstand RL = 2,5 Ω

  1. Wie groß ist die Drain-Source-Spannung UDS im Arbeitspunkt An und Aus?
  2. Wie groß ist der Drainstrom ID im Arbeitspunkt An und Aus?
  3. Übertrage die entsprechende Ausgangskennlinie und zeichne die beiden Arbeitspunkte An und Aus in die Kennlinie ein.
  4. Wie groß ist die notwendige Gate-Source-Spannung UGS?
  5. Berechne die Impulsdauer für einen Tastgrad von 25 %.
  6. Berechnen Sie die Verlustleistung für einen Tastgrad von 25 %.
  7. Wie hoch wären die Verluste bei UGS = 2,5 V?
  1. An: $U_{DS}=U_{AK}\frac{R_{DSon}}{R_{DSon}+R_L}=10~V\frac{44~m\Omega}{2544~m\Omega}=173~mV$

    Aus: $U_{DS}=U_{AK}=10~V$

  2. An. $I_D=\frac{U_{AK}}{R_{DSon}+R_L}=\frac{10V}{2,544~\Omega}=3,93~A$

    Aus: $I_D=0~A$

  3. Kennlinie:

    Ausgangskennlinie FET mit Arbeitspunkten
  4. Gate-Source-Spannung: $U_{GS}=6~V$

  5. Periodendauer: $T=1/f=1/2,5~kHz$

    Impulsdauer: $t_i=g\cdot T= 0,25 \cdot 1/2,5~kHz$

  6. Verlustleistung: $P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=0,25 \cdot 173~mV \cdot 3,93~A$

  7. Verlustleistung: $P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=0,25 \cdot 0,4~V \cdot 3~A$


Ideen von

S. Jensch - Elektronikschule Tettnang

Datenblatt International Rectifier irf.com 


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