Nederlands
Menu

JFET versus MOSFET: gatestructuur en keuzecriteria vergeleken

Beide zijn veldeffecttransistors waarbij de gatespanning de stroom tussen source en drain regelt. Bij een MOSFET is de gate door een oxide geïsoleerd. Bij een JFET is de gate een in sperrichting voorgespannen pn-overgang die het kanaal dichtknijpt. Daardoor is een JFET normally-on en heeft hij zeer weinig ruis, terwijl bij een MOSFET vrijwel geen stroom door de geïsoleerde gate loopt en miljarden stuks veel gemakkelijker te integreren zijn.

KenmerkJFETMOSFET
GatestructuurPn-overgang. Moet in sperrichting voorgespannen blijvenEen metalen gate, door een dun oxide van het kanaal gescheiden
Toestand zonder spanningNormally-on (depletion-type). De gatespanning knijpt het kanaal dicht om de stroom te stoppenMeestal normally-off (enhancement-type). Depletion-types bestaan ook
GatestroomKleine lekstroom in sperrichting. Neemt sterk toe bij voorwaartse voorspanningIn statische toestand vrijwel nul, dankzij het isolerende oxide
IngangsimpedantieHoogZeer hoog
RuisWeinig ruis, vooral bij lage frequentiesHogere laagfrequente (1/f) ruis
Gevoeligheid voor statische elektriciteitRedelijk robuust, omdat er geen kwetsbaar dun gateoxide isGevoelig. Elektrostatische ontlading kan het gateoxide beschadigen
IntegratieNauwelijks gebruikt voor grootschalige integratieDe basis van CMOS. Miljarden per chip
Belangrijkste toepassingenVoorversterkers met weinig ruis, ingangstrappen van op-amps, audio- en RF-front-ends, analoge schakelaarsDigitale logica, geheugen, vermogensschakeling en de meeste moderne IC's

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

JFET
In analoge front-ends waar weinig ruis en een hoge ingangsimpedantie belangrijk zijn, zoals voorversterkers voor microfoons en sensoren.
MOSFET
Vrijwel overal anders. Digitale schakelingen, vermogensschakeling en alles wat grootschalig moet worden geïntegreerd.

Veelgestelde vragen

Waarom is een JFET normally-on?

Het kanaal bestaat ook zonder gatespanning en de in sperrichting voorgespannen gate-overgang knijpt het dicht. Dit is depletion-gedrag.

Welke heeft minder ruis, JFET of MOSFET?

De JFET. Vooral bij lage frequenties is hij stil, daarom wordt hij gebruikt in ingangstrappen van voorversterkers met weinig ruis.

Waarom is een MOSFET gevoelig voor statische elektriciteit?

Het dunne gateoxide kan door elektrostatische ontlading worden beschadigd. Een JFET heeft geen gateoxide dat kan doorslaan.

Waarom worden in IC's MOSFET's gebruikt in plaats van JFET's?

Er loopt vrijwel geen stroom door de geïsoleerde gate, ze zijn gemakkelijk te verkleinen en complementaire combinaties (CMOS) zijn eenvoudig te maken, zodat miljarden op één chip passen.

Test uw begrip

Welke voorwaarde is juist om een n-kanaal MOSFET van het enhancement-type aan (geleidend) te laten staan? (VGS: gate-sourcespanning, Vth: drempelspanning)

  1. AVGS is 0 V
  2. BVGS is groter dan Vth
  3. CVGS is een negatieve spanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. VGS is groter dan Vth

Bij een enhancement-nMOSFET worden, wanneer een positieve spanning groter dan Vth op de gate wordt gezet, elektronen naar het oppervlak van het p-type substraat getrokken en ontstaat een inversielaag (kanaal), zodat stroom tussen source en drain loopt. Bij VGS = 0 V is er geen kanaal en is de transistor uit, dus ook bij een zwevende gate loopt nauwelijks stroom (normally-off), wat veilig is voor logische schakelingen en vermogenstoepassingen. Vth is in geavanceerde logica gewoonlijk 0,2 tot 0,4 V en bij vermogenscomponenten ongeveer 1 tot 4 V.

Welke eigenschap van een depletion-type MOSFET is juist?

  1. AHeeft geen gate
  2. BHet kanaal bestaat ook bij een gatespanning van 0 V en er loopt stroom
  3. CEr loopt geen stroom, ook niet bij een gatespanning hoger dan de drempelspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het kanaal bestaat ook bij een gatespanning van 0 V en er loopt stroom

Een depletion-type is een MOSFET waarvan het kanaal vooraf bestaat en waarin ook bij een gatespanning van 0 V stroom loopt (normally-on). Bij een n-kanaal wordt het kanaal met een negatieve gatespanning weggenomen en de stroom gestopt. Het werd gebruikt als belastingselement in vroege NMOS-logica. Omdat het ook geleidt wanneer de voeding wegvalt, is voor veiligheid aandacht nodig; ook GaN-HEMT's zijn van nature normally-on, zodat structuurkunstgrepen worden toegepast om ze normally-off te maken.

Welk voordeel voor schakelingen volgt uit het feit dat er nauwelijks stroom door de gate van een MOSFET loopt?

  1. AVoor het aandrijven van de gate is een grote gelijkstroom nodig
  2. BDe schakelsnelheid is niet meer afhankelijk van de gatecapaciteit
  3. CDe ingangsstroom is vrijwel 0, zodat nauwelijks gelijkstroomvermogen nodig is om de toestand te behouden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De ingangsstroom is vrijwel 0, zodat nauwelijks gelijkstroomvermogen nodig is om de toestand te behouden

De gate van een MOSFET is door een isolator gescheiden, zodat de gelijkstroom aan de ingang om de toestand te behouden vrijwel 0 is. Daardoor kan één uitgang veel gates aansturen en is het vermogensverbruik van CMOS-schakelingen in rust zeer laag. Ook het feit dat DRAM en flash lading kunnen vasthouden is te danken aan deze geïsoleerde gate. Bij elke schakeling loopt wel een stroom om de gatecapaciteit te laden en te ontladen, dus het aandrijfvermogen neemt toe naarmate de frequentie hoger is.

  1. Welke vorm van doorslag kan optreden wanneer tussen gate en source een spanning wordt gezet die de nominale waarde ver overschrijdt?
  2. Welk gedrag van een MOSFET is juist in het lineaire gebied, waar de drain-sourcespanning VDS voldoende klein is?
  3. Welke ladingdragers voeren de stroom in het kanaal van een n-kanaal MOSFET?

Oefenvragen over MOSFET

Verwante vergelijkingen