Feldeffekttransistor

Grundidee und Aufbau

Feldeffekttransistoren (FETs) sind Halbleiterbauelemente, die einen Strom durch ein elektrisches Feld steuern. Anders als beim Bipolartransistor beteiligt sich dabei nur ein Ladungstyp am Stromtransport: Elektronen oder Defektelektronen (Löcher). FETs sind spannungsgesteuert: Die Gate-Source-Spannung verändert den Kanalquerschnitt beziehungsweise die Ladungsträgerdichte und damit den Halbleiterwiderstand. So lässt sich der Strom zwischen Source und Drain schalten oder regeln.

Die drei Anschlüsse heißen Source (Quelle), Gate (Steuerelektrode) und Drain (Senke). Beim MOSFET kann außerdem der Anschluss Bulk beziehungsweise Substrat vorhanden sein; bei Einzeltransistoren ist er meist intern mit Source verbunden. Bei niedrigen Frequenzen ist die Ansteuerung praktisch leistungslos, da im Wesentlichen nur eine Steuerspannung nötig ist. Wegen des unipolaren Source-Drain-Kanals kann ein FET prinzipiell invers betrieben werden, also mit vertauschtem Drain und Source. Bei den meisten Typen verhindern jedoch der unsymmetrische Aufbau und die interne Verbindung von Bulk und Source dies praktisch.

FETs sind wichtige aktive Komponenten integrierter Schaltkreise. Ihr hoher Eingangswiderstand und geringer Stromverbrauch sind für viele Geräte bedeutsam. Der verbreitetste Typ ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Als Mischform aus FET und Bipolartransistor wurde 1984 der IGBT (insulated-gate bipolar transistor) entwickelt; sein Einsatzbereich ist auf höhere Betriebsspannungen limitiert.

Steuerarten und wichtige Bauformen

Je nach Betriebsart gibt es Anreicherungsmodus (enhancement mode) und Verarmungsmodus (depletion mode). Im Anreicherungsmodus erhöht die Gate-Spannung den Stromfluss; im Verarmungsmodus verringert sie ihn. MOSFETs können selbstsperrend oder selbstleitend sein und jeweils einen n- oder p-Kanal besitzen. Dabei bezeichnet n Elektronen und p Defektelektronen als Majoritätsladungsträger, nicht unmittelbar die Dotierung des Kanals.

Beim Sperrschichtfeldeffekttransistor JFET (Junction-FET, auch SFET) steuert eine Sperrschicht zwischen Gate und Kanal den Strom. Ihre Ausdehnung hängt von der Gate-Spannung ab und schnürt den Kanal zwischen Drain und Source mehr oder weniger ein. JFETs zählen zu den NIGFETs, also FETs ohne isoliertes Gate. Zu dieser Gruppe gehören außerdem HEMT und MESFET, der auch Schottky-Feldeffekt-Transistor heißt.

Beim Isolierschichtfeldeffekttransistor IGFET trennt eine nichtleitende Schicht das Gate vom Kanal. Seine Grundstruktur ist Metall–Isolator–Halbleiter; deshalb heißt er MISFET. Besteht der Isolator aus Oxid, heißt er MOSFET. Die Spannung U_GB zwischen Gate und Bulk beeinflusst die Ladungsträgerkonzentration. Bei einem n-Kanal-IGFET des Anreicherungstyps verdrängt steigendes U_GB zunächst Defektelektronen im p-dotierten Substrat. Bei weiterem Anstieg entsteht durch Inversion ein n-leitender Kanal aus Elektronen zwischen Source und Drain. Siliziumdioxid–Silizium setzte sich als Werkstoffkombination durch; deshalb wird MOSFET oft auch als Bezeichnung für MISFET oder IGFET verwendet. Weitere IGFET-Arten sind OFET, ChemFET, ISFET, ENFET, EOSFET und CNTFET.

Kennlinien, Größen und Schaltzeichen

Der Widerstandskanal reicht von Source bis Drain. Zunächst steigt der Drainstrom mit der Drainspannung linear. Ist die Spannung an Gate und Drain ausreichend hoch, wird der Kanal abgeschnürt; bei weiter steigender Drainspannung bleibt der Drainstrom konstant. Die Sättigungsspannung V_Dsat steigt, wenn die Gate-Spannung von der statischen Abschnürspannung V_p gegen 0 geht. Für Verstärker sind besonders die Eigenschaften im Sättigungsbereich wichtig.

Bei gleichmäßiger Dotierstoffverteilung im Kanal gilt: I_D = I_DSS · (1 − 3 · ((V_G + V_bi)/V_P) + 2 · ((V_G + V_bi)/V_P)^(3/2)). Dabei lautet der Sättigungsstrom: I_DSS = (1/(6 · ε)) · μ · (q_e · N_ch)^2 · d^3 · (W/L). Er wird durch die Trägerbeweglichkeit μ, den Dotierungsgrad N_ch, die Kanaltiefe d, Kanalbreite W und Kanallänge L bestimmt; ε ist die Dielektrizitätskonstante.

In deutschsprachigen Schaltzeichen zeigt der Pfeil am Body-/Bulk-Anschluss die Kanalart: Ein Pfeil zum Kanal steht für n-Kanal, ein Pfeil vom Kanal weg für p-Kanal. Eine gestrichelte Kanallinie kennzeichnet einen selbstsperrenden Anreicherungstyp, eine durchgängige Linie einen selbstleitenden Verarmungstyp. Häufig wird der mit Source verbundene Bulk-Anschluss in internationalen Schaltzeichen nicht dargestellt. Die Grundschaltungen sind Common Source (entspricht der Emitterschaltung), Common Drain (Kollektorschaltung) und Common Gate (Basisschaltung). Jeweils liegt einer der Anschlüsse signalmäßig auf Masse; die beiden anderen sind Eingang und Ausgang.

Herstellung und Entwicklung

Julius Lilienfeld beschrieb 1925 erstmals konkret ein unbeheiztes Bauelement mit Eigenschaften ähnlich einer Elektronenröhre und erhielt 1928 ein Patent für eine Konstruktion nahe dem heutigen IGFET. Die Herstellung war damals wegen fehlenden hochreinen Halbleitermaterials nicht möglich. Oskar Heil meldete 1934 einen FET zum Patent an. Versuche von Holst und Geal 1936 sowie Rudolf Hilsch und Robert Wichard Pohl 1938 sind bekannt, Realisierungen jedoch nicht.

Herbert Mataré und Heinrich Welker sowie parallel William B. Shockley und Walter H. Brattain beschrieben 1945 den ersten JFET mit p-n-Übergang, noch vor dem Bipolartransistor von 1948. Hochreine Germaniumkristalle zu Beginn der 1950er Jahre lösten das Materialproblem; durch Silizium-Halbleitertechnik, unter anderem thermische Oxidation von Silizium, entstanden in den 1960er Jahren erste FET-Labormuster. Forschung zu Halbleiteroberflächen und Fertigungsverfahren führte ab etwa 1955 zur Serienreife. Dawon Kahng und Martin M. Atalla arbeiteten bei den Bell Telephone Laboratories daran und erhielten ab 1960 mehrere Patente. Die erste Patentanmeldung im deutschsprachigen Raum zur Fertigung serienreifer FETs wurde am 19. Mai 1961 beim DPMA als „Halbleitereinrichtung“ eingereicht und später „Verstärkendes Halbleiterbauelement“ genannt. Heutige Verfahren umfassen besonders Planartechnik und FinFET-Technik.

Einsatzgebiete

Die geeignete FET-Bauform hängt vor allem von Anforderungen an Stabilität und Rauschverhalten ab. IGFETs werden eher in der Digitaltechnik eingesetzt, JFETs eher in der Hochfrequenztechnik.

Leistungs-MOSFETs sind Bipolartransistoren bei Schaltgeschwindigkeit und Verlusten insbesondere bis etwa 950 V in Super-Mesh-V-Technologie überlegen. Deshalb werden sie in Schaltnetzteilen und Schaltreglern verwendet. Schaltfrequenzen bis etwa 1 MHz erlauben kleinere induktive Bauteile. Weitere Anwendungen sind intelligente Leistungsschalter mit integrierten Schutzschaltungen im Automotive-Bereich, HF-Leistungsverstärker mit speziellen Kennlinien und Gehäusen sowie PWM-Schaltstufen von Klasse-D-Audioverstärkern.