Sperrschicht-FET (JFET)

Schraubst du ein billiges Elektretmikrofon auf, findest du darin einen winzigen Transistor: einen Sperrschicht-FET, kurz JFET. Er wandelt die extrem hochohmige Kapsel in ein Signal um, das ein Kabel und ein Verstärker verkraften. Auch in rauscharmen Vorverstärkern, in Messgeräten mit hohem Eingangswiderstand, in Operationsverstärkern wie dem TL072 und in einfachen Konstantstromquellen arbeitet der JFET. Als Leistungsschalter hat ihn der MOSFET verdrängt, als Spezialist für kleine Signale ist er bis heute unersetzt.

Aufbau und Funktionsweise

Der JFET ist der einfachste Feldeffekttransistor. Beim N-Kanal-Typ führt ein schmaler n-dotierter Kanal von Source zu Drain. Seitlich sind p-dotierte Zonen eingebracht, die zusammen das Gate bilden. Zwischen Gate und Kanal entsteht so ein pn-Übergang mit seiner Sperrschicht – daher der Name.

Der Übergang wird immer in Sperrrichtung betrieben: Beim N-Kanal-JFET liegt das Gate negativ gegenüber Source. Je negativer U_GS, desto breiter wird die Raumladungszone und desto schmaler der leitende Kanal. Bei der Abschnürspannung U_P (im Datenblatt meist U_GS(off)) berühren sich die Sperrschichten, der Kanal ist zu, es fließt kein Drainstrom mehr.

Ohne Gate-Spannung ist der Kanal dagegen offen – der JFET ist selbstleitend. Das ist der wichtigste Unterschied zum gewöhnlichen MOSFET, der ohne Gate-Spannung sperrt. Wie sich die Raumladungszone mit der Spannung verändert, beschreibt Dotierung zusammen mit dem Artikel zum pn-Übergang.

Weil der Gate-Übergang gesperrt ist, fließt nur ein winziger Leckstrom von typisch einigen Pikoampere bis Nanoampere. Der Eingangswiderstand liegt bei 10⁹ bis 10¹² Ω. Viele JFETs sind zudem symmetrisch aufgebaut, Drain und Source lassen sich dann vertauschen.

Schaltzeichen

Der Kanal ist als durchgehende Linie gezeichnet, weil der JFET ohne Gate-Spannung leitet. Der Pfeil sitzt am Gate und zeigt die Richtung des pn-Übergangs: beim N-Kanal zum Kanal hin, beim P-Kanal vom Kanal weg. Eine Übersicht weiterer Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennlinien und Kennwerte

Die Übertragungskennlinie zeigt den Drainstrom über der Gate-Spannung. Sie verläuft nahezu wie eine Parabel: Bei U_GS = 0 fließt der größte Strom, der Drain-Sättigungsstrom I_DSS; bei U_GS = U_P ist der Strom null. Dazwischen gilt näherungsweise

Das Ausgangskennlinienfeld ähnelt dem des Bipolartransistors, nur ist jede Kurve einer Gate-Spannung zugeordnet. Bei kleinen Drainspannungen verhält sich der Kanal wie ein Widerstand, dessen Wert sich über U_GS einstellen lässt. Oberhalb der Abschnürgrenze bleibt der Strom nahezu konstant – das ist der Bereich für Verstärker und Stromquellen.

Die Steilheit g_m = ΔI_D / ΔU_GS sagt, wie stark der Strom auf die Gate-Spannung reagiert. Sie ist bei U_GS = 0 am größten (g_m0 = 2 · I_DSS / |U_P|) und nimmt zur Abschnürung hin ab.

Fällt dir die riesige Streuung auf? I_DSS und U_P schwanken bei einem Typ oft um den Faktor fünf bis zehn. Deshalb sortieren manche Hersteller in Gruppen (BF245A/B/C), und in Präzisionsschaltungen werden JFETs ausgemessen oder mit einem Trimmer abgeglichen.

Konstantstromquelle mit einem Widerstand

Die bekannteste Einzelanwendung: Ein JFET mit einem Widerstand R_S in der Source-Leitung, das Gate am unteren Ende von R_S. Fließt Strom, fällt an R_S eine Spannung ab, die das Gate negativ gegenüber Source macht und den Strom bremst. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, das nahezu unabhängig von der Spannung an der Last bleibt.

Damit die Stromquelle regelt, muss am JFET mindestens die Abschnürspannung plus etwas Reserve anliegen – bei 12 V Versorgung bleibt so Platz für mehrere Volt an der Last. Ohne Widerstand, Gate direkt an Source, fließt einfach I_DSS; nach diesem Prinzip arbeiten fertige Stromregeldioden wie die Reihe J500 oder 1N5283. Allgemeines zu Stromquellen steht unter Konstantstromquelle.

Weitere Anwendungen

• Impedanzwandler im Elektretmikrofon: Die Kapsel liefert eine Spannung aus einer Quelle von vielen Gigaohm; der JFET im Gehäuse (Drainschaltung oder Sourceschaltung) treibt das Kabel.
• Rauscharme Vorverstärker für Mikrofone, Tonabnehmer, Fotodioden und Messgeräte, bei denen eine hochohmige Quelle nicht belastet werden darf.
• Operationsverstärker mit JFET-Eingang (TL07x, TL08x, OPA164x): Eingangsströme von einigen zehn Pikoampere statt Nanoampere, siehe Operationsverstärker.
• Analogschalter und spannungsgesteuerte Widerstände: Unterhalb der Abschnürgrenze wirkt der Kanal als Widerstand, dessen Wert U_GS bestimmt – etwa zur Amplitudenregelung in Oszillatoren.
• HF-Verstärker und Oszillatoren mit dem J310 im UKW-Bereich.

Auswahl und Praxistipps

• Polarität beachten: Beim N-Kanal-JFET muss das Gate negativ oder auf gleicher Spannung wie Source liegen. Eine positive Gate-Spannung über etwa 0,5 V macht aus dem hochohmigen Eingang eine leitende Diode.
• Streuung einplanen: Eine Schaltung, die nur mit genau einem I_DSS funktioniert, braucht Abgleich oder ausgemessene Exemplare.
• Verfügbarkeit prüfen: Viele klassische Typen (2SK30, 2SK170, BF256) sind abgekündigt; neue Entwicklungen greifen auf SMD-Typen wie MMBF5457 oder BF545 und spezielle rauscharme JFETs zurück.
• ESD: Der Gate-Übergang ist robuster als ein MOSFET-Gate, aber kein Freibrief – siehe ESD.
• Gegenstück MOSFET: Brauchst du einen Schalter, der ohne Gate-Spannung sperrt, oder große Ströme, nimm einen MOSFET. Den Unterschied zum Bipolartransistor zeigt der Überblicksartikel zum Feldeffekttransistor.

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