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Junction- Feldeffekttransistoren
Collektor
Basis
Emitter
Drain
Gate
Source

Bild 1: Vergleich der Schaltbildsymbole bipolarer Transistor und Feldeffekttransistor

Collektor
Basis
Emitter
Drain
Gate
Source

Bild 1: Vergleich der Schaltbildsymbole bipolarer Transistor und Feldeffekttransistor

Obwohl die bipolaren (npn/pnp) Transistoren die Entwicklung der Elektronik revolutioniert haben, so haben sie doch einen entscheidenden Nachteil. Die niederohmige Basis-Emitterstrecke bringt in der Verstärkertechnik Anpassungsprobleme mit sich, da sie z.B. hochohmige Schwingkreise stark belastet und so in ihrer Güte verschlechtert. Im Gegensatz zu dem bipolaren Transistor, dessen Verstärkung durch einen Basisstrom geregelt wird, wird in einem FeldEffektTransistor (FET) zur Steuerung des Drain-Source-Stroms ein elektrostatisches Feld, also eine Gate-Spannung verwendet.

Eine Art Feldeffekttransistor, den Junction FET (JFET) mit seinen Anschlüssen zeigt das Bild 1 im Vergleich zu einem bipolaren Transistor. Der „Gate”- Anschluss entspricht in seiner Funktion der Basis, die „Source” und der „Drain” dem Emitter und dem Kollektor des bipolaren Transistors.

Drain
Gate
Source
n- dotiertes
Silizium
n- Kanal
p- dotiertes
Material
(eindiffundiert)

Bild 2: schematischer Aufbau eines JFET

Drain
Gate
Source
n- dotiertes
Silizium
n- Kanal
p- dotiertes
Material
(eindiffundiert)

Bild 2: schematischer Aufbau eines JFET

Bild 2 zeigt den schematischen Aufbau eines JFET. Das Substrat besteht aus n- dotiertem oder p- dotiertem Halbleitermaterial (meist ein Siliziumplättchen). In diesen Träger werden beidseitig Perlen aus entgegengesetzt dotiertem Halbleitermaterial eindiffundiert. Beide Perlen werden elektrisch miteinander verbunden und bilden den „Gate”- Anschluss. Durch diese beiden Perlen wird der Querschnitt des Trägermaterials zu einem schmalen Kanal verkleinert. Im Bild 2 besteht dieser Kanal aus n- dotiertem Material, deswegen wird dieser JFET auch n- Kanal JFET genannt.

In einem p- Kanal JFET ist das Trägermaterial und somit der Kanal aus p- dotiertem Halbleitermaterial, während der „Gate”- Anschluss aus n- dotiertem Material besteht. Wie bei den bipolaren Transistoren unterscheiden sich beide Typen durch unterschiedliche Polarität der Spannungen, welches im Schaltbildsymbol durch die Pfeilrichtung (immer in Richtung des n- dotierten Materials!) ausgedrückt wird. Das heißt, bei einem n- Kanal JFET zeigt der Pfeil in Richtung des Drain- Source- Kanals und bei einem p- Kanal JFET zeigt der Pfeil davon weg in Richtung Gate- Anschluss.

Arbeitsweise

Das Schlüsselwort für die Funktion wurde oben schon genannt: der Drain- Source- Kanal, dessen Querschnitt durch die an dem Gate- Anschluss angelegte Spannung gesteuert wird, wie bei genauem Hinsehen in den Bildern 3 und 4 zu erkennen ist.

Drain
Gate
Source
VDD=+5V
Raum-
ladungs-
zonen

Bild 3: JFET ohne Gate- Vorspannung

Drain
Gate
Source
VDD=+5V
VGG=-1V
Raum-
ladungs-
zonen

Bild 4: JFET mit in Sperrrichtung geschalteter Gate- Vorspannung

Drain
Gate
Source
VDD=+5V
Raum-
ladungs-
zonen

 
Bild 3: JFET ohne Gate- Vorspannung

Drain
Gate
Source
VDD=+5V
VGG=-1V
Raum-
ladungs-
zonen

Bild 4: JFET mit in Sperrrichtung geschalteter Gate- Vorspannung

Im Bild 3 liegt der Gate- Anschluss und der Source- Anschluss auf gleichem Potential, hier auf Masse. Durch die Spannung zwischen Drain und Source fließt ein Strom durch den Halbleiterkristall. Unter diesen Spannungsbedingungen ist der typische Widerstand zwischen Drain und Source ungefähr 500 Ω. Das in diesen Stromkreis geschaltete Milliamperemeter zeigt hier also bei einer Drainspannung (VDD) von 5 V einen Strom (ID) von etwa 10 Milliampere an. Ohne Ansteuerung des Gate- Anschlusses ist der JFET also leitend.

Im Bild 4 wird an den Gate- Anschluss eine in Sperrrichtung gepolte Vorspannung (VGG) von hier einem Volt geschaltet. Durch diese Vorspannung werden die Raumladungszonen, also die Sperrschichten der pn- Übergänge beider Perlen wie schon bei der Kapazitätsdiode beschrieben, vergrößert, das heißt, der effektive Leitungsquerschnitt des n- Kanal verringert sich, weil weniger Ladungsträger zur Verfügung stehen. Dadurch wird auch der Widerstand des n- Kanals vergrößert und es fließt ein geringerer Strom.

Eine Vergrößerung der negativen Vorspannung wird diesen Effekt verstärken und es kann bei weiterer Vergrößerung der negativen Vorspannung sogar der Drain- Source- Strom völlig zum Erliegen kommen. Diese Spannung ist Typabhängig und wird „Pinch-off”- Spannung genannt. Die Vorspannung im Bild 4 von -1 Volt ist aber zu gering, es fließt also immer noch ein Strom. Der ist aber von den ursprünglich 10 mA auf etwa 5 mA gesunken. Der Innenwiderstand des JFET muss also von 500 Ω auf etwa 1 kΩ gestiegen sein.

Diese Messung zeigt, dass ein JFET ähnlich wie ein bipolarer Transistor arbeitet, auch wenn der Aufbau sich von diesem grundsätzlich unterscheidet. Aber wie schon gesagt, liegt der Vorteil eines Feldeffekttransistors in seiner hohen Eingangsimpedanz. Der pn- Übergang von Gate zur Source wird schließlich in Sperrrichtung betrieben: es fließt also ein Sperrstrom, der hier bei etwa 0,5 µA liegt. Nach dem Ohm'schen Gesetz beträgt also der Eingangswiderstand (1 V / 0.5 µA) hier 2 MΩ. Im Gegensatz dazu würde bei ähnlichen Bedingungen im bipolaren Transistor ein Basisstrom von bis zu einem Milliampere fließen: der Innenwiderstand also bei etwa 1 kΩ liegen.

Die bisher am Beispiel eines n- Kanal JFET erläuterte Funktion gilt in ähnlicher Form auch für einen p- Kanal JFET. Da aber dessen Trägermaterial und die eindiffundierten Gate- Anschlüsse aus entgegengesetzt dotiertem Halbleitermaterial bestehen, müssen auch die Betriebsspannungen umgepolt werden. Der p- Kanal JFET benötigt also eine negative Drain- Spannung (VDD) und eine positive Vorspannung an dem Gate- Anschluss. Der Strom fließt im p- Kanal JFET somit von Drain zur Source.

Anwendung eines JFET als Verstärker
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Bild 5: Verstärkerschaltung mit einem JFET

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out

Bild 5: Verstärkerschaltung mit einem JFET

Im Bild 5 wird eine Standardschaltung für eine Verstärkerstufe mit einem n- Kanal JFET vom Typ BF245A gezeigt. Diese Verstärkerstufe zeichnet sich durch einen hohe Eingangsimpedanz und eine hohe Spannungsverstärkung aus. Die Funktion dieser Verstärkerstufe ist vergleichbar mit einem Röhrenverstärker mit einer Triode. C1 und C3 sind die Eingangs- und Ausgangskondensatoren zur gleichstrommäßigen Entkopplung. R1 ist der Gate- Ableitwiderstand. Er legt das gleichstrommäßige Potential des Einganges auf 0V (Masse) und verhindert eine zu große statische Eingangsspannung. Er gehört ebenfalls zum Entladestromkreis für den Eingangskondensator C1. Der Spannungsabfall über R2 mittels des Ruhestromes erzeugt die negative Vorspannung für das Gate, indem die Source auf ein positiveres Potential gelegt wird. C2 hat eine sehr große Kapazität und verhindert, dass die die schnellen Stromschwankungen während der Signalverstärkung sich auf die Vorspannung auswirken. (Fehlte er, würde R2 auch eine Stromgegenkopplung verursachen und der Verstärkungsfaktor würde stark verringert.) R3 ist der Arbeitswiderstand, der wie bei allen Verstärkerschaltungen den Ruhestrom und somit den Arbeitspunkt bestimmt.

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Bild 6: Phasensprung im JFET Verstärker

Die Phasenänderung von 180° ist hier die gleiche, wie bei einer Emitter-Basis Stufe eines bipolaren Transistors. Der Grund für diese Phasenänderung ist sehr einfach: Bei einer Änderung des Eingangssignales in positive Richtung überlagert sich diese Spannung mit der negativen Vorspannung - die Vorspannung wird also kleiner. Somit verkleinert sich die Sperrschicht im JFET und somit dessen Innenwiderstand. Es fließt bei gleicher Drain- Spannung also ein größerer Strom als der Ruhestrom. Ein größerer Strom verursacht aber einen größeren Spannungsabfall über den Arbeitswiderstand R3 und das heißt, die Ausgangsspannung sinkt. Das bedeutet also eine Phasenänderung von 180° zwischen Eingangs- und Ausgangssignal dieser Verstärkungsstufe.

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Bild 6: Phasensprung im JFET Verstärker