Feldeffekttransistoren

FET: Feld­effekt­transistor


Quellen:
U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter – Schaltungstechnik, Springer-Verlag, Berlin, 2002
J. Grehn, J. Krause, "Metzler-Physik", Schroedel Verlag, 2002
P. Horowitz, W. Hill, The art of electronics, Cambridge University Press, 2005
S. Jensch, Elektronikschule Tettnang 2015
Datenblatt International Rectifier irf.com

Der Feldeffekttransistor ist der Transistor mit der weltweit häu­figs­ten Anwendung. Dabei wird der FET am häufigsten als elektronischer Schalter eingesetzt.

In diesem Artikel wird sein prinzipieller Aufbau, seine Funktionsweise und verschiedene Bauarten erklärt.

Der Feldeffekttransistor - Aufbau und Funktion



MOSFET IRL540N und IRF9540N
Abb. 1: 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". Transistoren ermöglichen es eine den Widerstand einer Strecke zu steuern. Das besondere dieses Transistortyps ist, dass die Steuerung 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.

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 leitfähiger Kanal mit sehr geringem Widerstand entsteht. Je größer die Spannung UGS, desto leitfähiger der Kanal, bzw. desto kleiner der Widerstand RDS.

Aufbau eines n-Kanal MOSFETs
Abb. 2: Aufbau eines n-Kanal MOSFETs.

FET - das Gate, Schaltzeichen verschiedener FETs und U-I-Kennlinien



Abb. 3: Das Gate zum Steuern.

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.

Man unterscheidet verschiedene Arten von Feldeffekttransistoren, 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-Transistoren. Bei n-Kanal-Transistoren wird der Kanal durch freie Elektronen, bei p-Kanal-Transistoren durch freie Löcher (fehlende Elektronen) erzeugt.

Schaltzeichen MOSFET
Abb. 4: Schaltzeichen drei verschiedener FETs.
<i>U-I</i>-Kennlinienfeld FET
Abb. 5: U-I-Kennlinienfeld des 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.

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

Transistor als Schalter - Schaltungsaufbau und U-I-Kennlinie



Feldeffekttransistoren 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.

Schaltung Transistor als Schalter
Abb. 6: Schaltungsaufbau für den Transistor als Schalter.
Arbeitspunkte Transistor als Schalter
Abb. 7: Arbeitspunkte im Kennlinienfeld für den 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

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?
Ausgangskennlinie FET

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 Temperatur 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

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.

Oxid-Kapazität FET

  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.

Aufgabe 4 Transistor als Schalter - Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

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.

Im Ausgangskennlinienfeld sind die beiden Arbeitspunkte An und Aus eingetragen.

Bestimme die Drain-Source-Spannung UDS im Arbeitspunkt An.
Wähle eine Antwort.

  1. $U_{DS}=10~V\cdot 2544~m\Omega/(44~m\Omega)=578~mV$
  2. $U_{DS}=U_{AK}\cdot R_{DSon}/(R_{DSon}+R_L)=173~mV$
  3. $U_{DS}=U_{AK}\cdot 20~\%=2~V$
  4. $U_{DS}=U_{AK}\cdot R_{DSon}/(R_{DSon}+R_L)=1,73~mV$


Bestimme die Drain-Source-Spannung UDS im Arbeitspunkt Aus.
Wähle eine Antwort.

  1. $U_{DS}=10~V$
  2. $U_{DS}=0~V$
  3. $U_{DS}=173~mV$
  4. $U_{DS}=578~mV$



Bestimme den Drainstrom ID im Arbeitspunkt An und Aus.
Wähle eine Antwort.

  1. $I_{D An}=U_{AK}/(R_{DSon}+R_L)$, $~~I_{D Aus}=100~mA$
  2. $I_{D An}=U_{AK}/R_{DSon}=227~A$, $~~I_{D Aus}=0~A$
  3. $I_{D An}=10~V/2,544~\Omega=3,93~A$, $~~I_{D Aus}=0~A$
  4. $I_{D An}=10~V/2,5~\Omega=4~A$, $~~I_{D Aus}=10~mA$


Bestimme die notwendige Gate-Source-Spannung UGS für minimale Verluste. Wähle eine Antwort.

  1. UGS = 2,5 V
  2. UGS = 3 V
  3. UGS = 4 V
  4. UGS = 6 V


Berechne die Impulsdauer für einen Tastgrad von 25 %.
Wähle eine Antwort.

  1. $t_i=0,25 \cdot 2,5~kHz=0,625~ms$
  2. $t_i= 0,25 / 2,5~kHz=0,1~ms$
  3. $t_i=25 \cdot 1/2,5~kHz=100~ms$
  4. $t_i=1/2,5~kHz=0,4~ms$


Berechnen Sie die Verlustleistung für einen Tastgrad von 25 %. Wähle eine Antwort.

  1. $P_{V}=25~\% \cdot 173~mV \cdot 3,93~A$
  2. $P_{V}=0,25 \cdot 1,73~V \cdot 3,93~A$
  3. $P_{V}=0,25 \cdot 10~V \cdot 4~A$
  4. $P_{V}=0,25 \cdot 10~V$


Berechne die Verluste für UGS = 2,5 V.
Wähle eine Antwort.

  1. $P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=0,25 \cdot 0,4~V \cdot 2~A$
  2. $P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=0,25 \cdot 0,1~V \cdot 3~A$
  3. $P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=0,25 \cdot 0,4~V \cdot 3~A$
  4. $P_{V}=g \cdot U_{DS} \cdot I_{D}=0,25 \cdot 3~V \cdot 4~A$


Bewerte folgende Aussage: "Bei 25 % Tastgrad ist der Wirkungsgrad höher als bei 100 %." Wähle eine Antwort.

  1. Richtig, da die Leistungsaufnahme geringer ist.
  2. Richtig, der Wirkungsgrad ist immer von der Leistungsaufnahme abhängig.
  3. Falsch, da der Transistor immer ganz durchschaltet.
  4. Falsch, der Wirkungsgrad berechnet sich nur über die zugeführte Leistung.