Feldeffekttransistor, dessen Gate ein pn-Übergang ist und der den Kanalstrom über die Breite der Raumladungszone steuert, die bei Sperrpolung wächst. Die meisten sind Verarmungstypen, die bei einer Gatespannung von 0 V leiten.
Japanische Bezeichnung: JFET(接合型FET)
„JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor)“ kommt in 2 Übungsfragen aus 2 Themen vor, z. B. Analog- und Elektronikschaltungen, Leistungshalbleiter.
Fachgebiet: MOSFET
Ein JFET (Junction Field-Effect Transistor) ist ein Feldeffekttransistor, dessen Gate durch einen pn-Übergang gebildet wird. In einem n-Kanal-JFET liegen p-dotierte Gategebiete zu beiden Seiten eines n-Kanals zwischen Source und Drain; wird der Übergang zwischen Gate und Kanal in Sperrrichtung gepolt, weitet sich die Raumladungszone, der Kanal wird enger, und der Strom sinkt. Der Strom ist bei einer Gatespannung von 0 V am größten (IDSS), und erreicht die Sperrspannung die Abschnürspannung, schließt sich der Kanal, und der Strom kommt fast zum Erliegen. Im Sättigungsbereich ist der Drainstrom ungefähr proportional zum Quadrat der Differenz zwischen Gatespannung und Abschnürspannung.
Ein MOSFET trennt das Gate durch eine Isolierschicht vom Halbleiter, während das Gate eines JFET ein pn-Übergang ohne Isolator ist. Der Übergang muss in Sperrrichtung gepolt bleiben; bei Flusspolung fließt Gatestrom. Der Gateleckstrom in Sperrrichtung ist mit etwa pA bis nA bei Raumtemperatur klein, steigt aber als Sperrschichtleckstrom mit der Temperatur stark an. JFETs sind außerdem grundsätzlich selbstleitende Verarmungstypen, was sie für integrierte Schaltungen wie CMOS ungeeignet macht, die selbstsperrende (normally-off) n- und p-Transistoren kombinieren. Deshalb dominieren MOSFETs als Transistoren in integrierten Schaltungen.
In einem JFET fließt der Strom im Inneren des Kanals und wird weniger von Defekten an einer Isolatorgrenzfläche beeinflusst als in einem MOSFET, sodass das niederfrequente Rauschen (1/f-Rauschen) meist klein ist. Das macht JFETs geeignet für Audio-Vorverstärker, hochohmige Eingangsstufen von Sensoren und Messgeräten sowie Operationsverstärker mit JFET-Eingang, deren Eingangsruheströme im pA-Bereich liegen. Auch das Impedanzwandler-Element in Elektret-Kondensatormikrofonen und die Konstantstromdiode, die Gate und Source verbindet, um einen konstanten Strom fließen zu lassen, beruhen auf JFETs.
SiC-JFETs bieten hohe Sperrspannung und niedrigen Durchlasswiderstand und werden auch als Leistungsbauelemente eingesetzt. Da ein selbstleitendes Bauelement gefährlich sein kann, etwa beim Einschalten, ist eine Kaskodenschaltung in Reihe mit einem Niedervolt-Si-MOSFET üblich, sodass das Paar als selbstsperrend (normally-off) behandelt werden kann. In einem planaren Leistungs-MOSFET wirkt das Gebiet zwischen benachbarten p-Body-Gebieten wie ein JFET und verengt den Strompfad; sein Widerstand heißt daher JFET-Widerstand. In Verbindungshalbleitern wie GaAs arbeitet der MESFET, dessen Gate ein Schottky-Übergang ist, nach demselben Prinzip.
Antwort: B. Den Offsetfehler des Ausgangs durch den Eingangsruhestrom (Bias-Strom) aufzuheben
In die Eingänge des Operationsverstärkers fließt ein Bias-Strom, der am vom invertierenden Eingang aus gesehenen Widerstand (Ri∥Rf) einen Spannungsabfall erzeugt und zu einem Fehler am Ausgang führt. Wird auch am nichtinvertierenden Eingang ein gleich großer Widerstand eingefügt, entsteht an beiden Eingängen derselbe Spannungsabfall, der sich aufhebt, und es verbleibt nur der Fehler durch die Differenz der beiden Bias-Ströme (Eingangsoffsetstrom). Bei Operationsverstärkern mit CMOS- oder JFET-Eingang, deren Bias-Strom im pA-Bereich liegt, ist dieser Widerstand normalerweise nicht erforderlich.
Antwort: C. Zellen lassen sich dicht anordnen, die Kanalbreite steigt, und der Durchlasswiderstand sinkt
Bei der Trench-Gate-Struktur entsteht der Kanal vertikal an der Grabenseitenwand, sodass pro Fläche mehr Zellen als beim planaren Typ angeordnet werden können und die gesamte Kanalbreite zunimmt. Zudem entfällt der beim planaren Typ zwischen benachbarten Zellen entstehende Widerstand (JFET-Widerstand), sodass der Durchlasswiderstand sinkt. Sie ist Standard bei Niederspannungs-Si-MOSFETs und IGBTs und verbreitet sich auch bei SiC-MOSFETs (bei denen planare Strukturen ebenfalls weit verbreitet sind), doch da sich das elektrische Feld an den Ecken am Grabenboden konzentriert, ist deren Schutzstruktur wichtig.
Ein MOSFET isoliert das Gate durch eine Isolierschicht vom Halbleiter, während ein JFET sein Gate aus einem pn-Übergang bildet. Ein JFET ist grundsätzlich ein Verarmungstyp, der bei 0 V Gatespannung leitet, und wird mit in Sperrrichtung gepoltem Gate betrieben. MOSFETs lassen sich leicht selbstsperrend herstellen und werden in integrierten CMOS-Schaltungen verwendet.
Bei 0 V Gatespannung verbindet bereits ein n-Kanal (oder p-Kanal) Source und Drain, sodass Strom fließt. Der Strom lässt sich nur verringern, indem das Gate in Sperrrichtung gepolt und die Raumladungszone verbreitert wird.
Der pn-Übergang zwischen Gate und Kanal wird in Flussrichtung gepolt, und bei Silizium beginnt Gatestrom zu fließen, sobald die Spannung etwa 0,5 V übersteigt. Damit geht der Vorteil der hohen Eingangsimpedanz des JFET verloren, weshalb das Gate normalerweise in Sperrrichtung oder nahe 0 V betrieben wird.
Bei Operationsverstärkern mit CMOS- oder JFET-Eingang, deren Bias-Strom im pA-Bereich liegt, ist dieser Widerstand normalerweise nicht erforderlich.
Welchen Zweck hat bei einem invertierenden Verstärker mit B…Zudem entfällt der beim planaren Typ zwischen benachbarten Zellen entstehende Widerstand (JFET-Widerstand), sodass der Durchlasswiderstand sinkt.
Was ist der Hauptvorteil der Trench-Gate-Struktur, bei der …CMOS Durchlasswiderstand (R_on) SiC (Siliziumkarbid) DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) Flachbandspannung Geschwindigkeitssättigung GIDL (gateinduzierter Drain-Leckstrom) Inversionsschicht Kanallängenmodulation Kurzkanaleffekt