Feldeffekttransistor (FET)

In jedem Smartphone-Prozessor arbeiten Milliarden Transistoren, im Netzteil deines Laptops schalten ein paar große Leistungstransistoren hunderttausendmal pro Sekunde, und im Akkupack eines E-Bikes trennt ein Transistor im Fehlerfall die Zellen ab. Fast alle davon sind Feldeffekttransistoren, kurz FET. Sie werden nicht wie der Bipolartransistor über einen Strom gesteuert, sondern über eine Spannung – genauer über das elektrische Feld, das diese Spannung erzeugt. Das macht sie im Ruhezustand fast leistungslos steuerbar und zur Grundlage der gesamten Digitaltechnik.

Das Prinzip

Ein FET besteht aus einem leitenden Kanal aus dotiertem Halbleiter mit zwei Anschlüssen an den Enden: Source (Quelle), wo die Ladungsträger hineinfließen, und Drain (Abfluss), wo sie herauskommen. Der dritte Anschluss, das Gate (Tor), sitzt seitlich am Kanal. Eine Spannung zwischen Gate und Source erzeugt ein elektrisches Feld, das den Kanal verengt oder erweitert – ähnlich wie ein Fuß, der auf einen Gartenschlauch tritt.

Den Strom tragen dabei nur Ladungsträger einer Sorte: im N-Kanal Elektronen, im P-Kanal Löcher. Deshalb heißen FETs auch unipolare Transistoren. Beim Bipolartransistor wirken dagegen Elektronen und Löcher zusammen.

Das Gate ist vom Kanal getrennt, entweder durch einen gesperrten pn-Übergang (beim Sperrschicht-FET) oder durch eine hauchdünne Isolierschicht aus Siliziumoxid (beim MOSFET). In beiden Fällen fließt im Ruhezustand praktisch kein Gatestrom: Der Eingangswiderstand liegt bei 10⁹ bis über 10¹² Ω.

Die Idee ist übrigens älter als der Bipolartransistor: Julius Edgar Lilienfeld meldete das Prinzip schon 1925 zum Patent an. Bauen ließ es sich erst, als die Halbleitertechnik reine Oberflächen beherrschte; der erste funktionierende MOSFET entstand 1959 bei den Bell Labs. Wie es dazu kam, erzählt Geschichte der Halbleitertechnik.

Die FET-Familie

• Sperrschicht-FET (JFET): Das Gate ist ein pn-Übergang am Kanal, in Sperrrichtung betrieben. Ohne Gate-Spannung leitet der Kanal; eine Sperrspannung am Gate schnürt ihn ab. Er ist selbstleitend. Heute vor allem in rauscharmen Vorverstärkern und als Konstantstromquelle zu finden, siehe Sperrschicht-FET (JFET).
• MOSFET: Metall-Oxid-Halbleiter-FET mit isoliertem Gate. Es gibt ihn als Anreicherungstyp (selbstsperrend: ohne Gate-Spannung aus) und als Verarmungstyp (selbstleitend). Der selbstsperrende N-Kanal-MOSFET ist der wichtigste Leistungsschalter der Elektronik, siehe MOSFET.

Daneben gibt es Varianten wie Dual-Gate-MOSFETs für HF-Mischer, den IGBT als Mischform aus MOSFET-Eingang und bipolarem Ausgang und neuere Leistungs-FETs aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid.

Schaltzeichen

Die Anschlüsse heißen G, D und S. Beim JFET ist der Kanal eine durchgezogene Linie, und der Pfeil am Gate zeigt beim N-Kanal zum Kanal hin, beim P-Kanal von ihm weg. Beim MOSFET ist das Gate eine getrennte Linie neben dem Kanal (Isolierung). Der Kanal ist beim Anreicherungstyp unterbrochen gezeichnet (sperrt ohne Spannung), beim Verarmungstyp durchgezogen. Ein Pfeil am Substratanschluss zeigt beim N-Kanal zum Kanal hin; meist ist das Substrat intern mit Source verbunden, und dabei entsteht die Body-Diode von Source nach Drain.

FET und Bipolartransistor im Vergleich

Ein wichtiger Unterschied steckt in der Zeile „Spannungsfall“: Der eingeschaltete MOSFET verhält sich wie ein kleiner Widerstand. Bei kleinem Strom fällt fast nichts ab – ein Bipolartransistor hat dagegen immer mindestens seine Sättigungsspannung. Und weil R_DS(on) mit der Temperatur steigt, übernimmt ein heißerer MOSFET in einer Parallelschaltung automatisch weniger Strom. Bei Bipolartransistoren ist es umgekehrt (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern).

Wichtige Kennwerte

Für Verstärker beschreibt die Steilheit g_m = ΔI_D / ΔU_GS, wie stark eine Gate-Spannungsänderung den Drainstrom ändert – das Gegenstück zur Stromverstärkung des Bipolartransistors.

Steuern ohne Strom – fast

Das Gate bildet mit Kanal und Anschlüssen einen Kondensator von einigen hundert Pikofarad bis zu einigen Nanofarad. Im eingeschalteten Zustand fließt kein Strom mehr hinein, beim Umschalten aber sehr wohl (siehe Kondensator an Gleichspannung). Datenblätter geben deshalb die Gate-Ladung Q_g an. Die Umschaltzeit folgt näherungsweise aus

Anwendungen

• Schalter für Lasten von Milliampere bis zu hunderten Ampere: Motoren, LED-Streifen, Heizungen, Akkus.
• Schaltregler und Wechselrichter: Ohne schnelle MOSFETs gäbe es keine kompakten Netzteile.
• Digitale Logik: CMOS-Gatter und Mikrocontroller bestehen aus komplementären N- und P-Kanal-MOSFETs, siehe Logikfamilien.
• Pegelwandler zwischen 3,3-V- und 5-V-Logik, etwa mit einem BSS138.
• Verstärker mit hohem Eingangswiderstand, etwa für Mikrofone und Messgeräte (JFET-Eingänge in Operationsverstärkern).
• Verpolschutz: Ein MOSFET in der Plus- oder Masseleitung ersetzt die verlustbehaftete Schutzdiode.

Praxistipps

• Gate nie offen lassen: Ein unbeschaltetes Gate lädt sich durch Störungen auf, der FET schaltet unkontrolliert halb ein und wird heiß. Ein Widerstand von Gate nach Source (10 kΩ bis 100 kΩ) hält ihn sicher aus.
• Schwellspannung ist nicht Einschaltspannung: Bei U_GS(th) fließen nur Mikroampere. Voll eingeschaltet ist ein MOSFET erst bei der Spannung, für die das Datenblatt R_DS(on) angibt. Für 3,3-V-Logik brauchst du einen Logic-Level-MOSFET.
• ESD: Die Gate-Isolierung ist nur einige zehn Nanometer dick und schlägt schon bei einigen zehn Volt durch. Beim Hantieren auf Erdung achten.
• Wärme: P = I_D² · R_DS(on) plus Schaltverluste – und R_DS(on) bei 100 °C ist rund 1,5- bis 2-mal so groß wie bei 25 °C. Rechne mit Wärme und Kühlung.

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