FET

Ein Feldeffekttransistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das ein elektrisches Feld nutzt, um den Stromfluss durch einen leitfähigen Kanal zu steuern. Im Gegensatz zu Bipolartransistoren, die stromgesteuert sind, schalten und verstärken FETs durch Spannungsaufbringung auf den Gate-Anschluss, wodurch die Leitfähigkeit zwischen Source- und Drain-Anschluss moduliert wird. Dieses spannungsgesteuerte Verhalten macht FETs für hochohmige Signalerfassung und Schaltanwendungen nützlich, bei denen der Gate-Eingangsstrom minimal sein muss.

Es gibt zwei Hauptfamilien: JFETs (Sperrschicht-FETs) und MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-FETs). JFETs nutzen eine in Sperrrichtung gepolt Pn-Übergang als Gate und wurden zuerst entwickelt; sie sind Verarmungstyp-Bauelemente, das heißt, Strom fließt im Aus-Zustand. MOSFETs, die die moderne Elektronik dominieren, verwenden ein isoliertes Gate, das durch eine dünne Oxidschicht getrennt ist. MOSFETs gibt es als Anreicherungstyp (normalerweise aus) und Verarmungstyp mit jeweils n-Kanal- und p-Kanal-Polaritäten. Power-MOSFETs arbeiten mit höheren Spannungen und Strömen als ihre Signalpegel-Gegenstücke und haben einen Ein-Widerstand, gemessen in Milliohm.

Warum FETs in Industrieschaltungen wichtig sind

Bei Schaltanwendungen bieten FETs niedrigen Ein-Widerstand (besonders Power-FETs), schnelle Schaltgeschwindigkeit und keine Rückwärtswiederherstellungsladung wie Bipolartransistoren. Das macht sie ideal für DC-DC-Wandler, Motorsteuerungen und Stromversorgungen. Als Verstärker bieten FETs sehr hohe Eingangsimpedanz (Gigaohm-Bereich für MOSFETs), was in der Messtechnik und Sensorauswertung wesentlich ist, wo die Quellimpedanz hoch ist oder Belastung vermieden werden muss. Der Steilheitsparameter (gm) bestimmt die Verstärkung in der Kleinsignalverstärkung.

Ausfallmechanismen umfassen Gateoxid-Durchbruch in MOSFETs durch Überspannung oder elektrostatische Entladung, Schwellenspannungs-Drift über der Temperatur (stärker ausgeprägt bei JFETs) und thermisches Durchgehen in Power-FETs ohne ordnungsgemäße Wärmeleitung. Die Bodydioden-Leitung in MOSFETs während Rückwärtspolarität muss in Schaltkreisen berücksichtigt werden. Gate-Ladung (Qg) und Schaltzeit sind in Hochfrequenz-Leistungsanwendungen kritisch; Gate-Treiber sind oft erforderlich, um den nötigen Strom zum schnellen Laden und Entladen der Gate-Kapazität bereitzustellen.

Der Name spiegelt die Bauelementfunktion wider: ein elektrisches Feld, erzeugt durch Spannung am Gate, moduliert oder verarmt die Ladungsträger im Kanal und steuert so den Stromfluss. Das ist grundlegend anders als die Basisstromsteuerung in Bipolartransistoren. In der Industrieautomation finden sich FETs in Halbleiterrelais, PWM-Reglern, Analogmultiplexern und jeder Anwendung, die einen spannungsgesteuerten Schalter oder Verstärker mit minimalem Eingangsstrom erfordert.