Sperrschicht-Feldeffektransistoren (JFET)

Sperrschicht-FETs werden im Englischen als JFET bezeichnet. Das J steht für Junction, was Sperrschicht bedeutet.
Sperrschicht-FETs gibt es als n-Kanal- und p-Kanal-Typen.

n-Kanal-Typ

Der n-Kanal-Typ hat eine n-leitende Kristallstrecke und zwei p-leitende Zonen.
Der n-Kanal-Sperrschicht-FET hat eine positive Drainspannung U_DS und eine negative Gatespannung U_GS.

p-Kanal-Typ

Der p-Kanal-Typ hat eine p-leitende Kristallstrecke und zwei n-leitende Zonen.
Der p-Kanal-Sperrschicht-FET hat eine negative Drainspannung U_DS und eine positive Gatespannung U_GS.

Funktionsweise des JFET

Die physikalische Funktionsweise wird am n-Kanal-Sperrschicht-FET erklärt.

Der n-Kanal-Sperrschicht-FET besteht aus einer n-leitenden Kristallstrecke. In die Seiten sind zwei p-leitende Zonen eindotiert. Diese beiden Zonen sind elektrisch miteinander verbunden und werden als Gate-Anschluss (G) aus dem Bauteil herausgeführt. Der n-Kanal hat jeweils zwei Anschlüsse. Den Drain (D) und den Source (S). Wenn an diesen Anschlüssen eine Spannung angelegt wird, dann fließt ein Elektronenstrom von Source nach Drain.

Die n-leitende Schicht hat gegenüber den p-leitenden Schichten eine positive Spannung. Um die p-leitenden Zonen entsteht eine Sperrschicht (Raumladungszone). Die Breite der Sperrschichten nimmt mit der an Source und Drain anliegenden Spannungshöhe im n-Kanal zu. Die Spannung wird zum Drain hin größer. Daher ist dort die Sperrschicht etwas breiter. Die p-Zonen haben eine Spannung von 0 V. In ihnen fließt kein Strom.

Innerhalb der Sperrschichten befinden sich keine frei beweglichen Ladungsträger (Elektronen). Die Elektronen im n-Kanal müssen den Weg zwischen den Sperrschichten nehmen.
Legt man an den Gate-Anschluss eine negative Spannung U_GS an, dann werden die Sperrschichten größer. Der n-Kanal wird dünner. Der Strom durch den n-Kanal wird mit I_D bezeichnet und wird kleiner. Je negativer die Spannung U_GS, desto breiter sind die Sperrschichten, desto größer der n-Kanal-Widerstand, desto kleiner der Strom I_D.

Wegen der Eigenleitung von Halbleiterkristallen lässt sich ein kleiner Sperrstrom durch die Sperrschicht in die p-Zonen nicht verhindern. Er ist allerdings so klein, dass sich die Sperrschicht nahezu leistungslos verändern lässt. Die Sperrschichtbreite und dadurch der Stromfluss durch den FET wird nur mit der Spannung U_GS gesteuert.

Kennlinienfeld

Die typische Kennlinien eines FET kommen aus einem Punkt, im Gegensatz zum Bipolaren Transistor, bei dem die Kennlinien aus einem Stamm kommen.
Jede der Kennlinien gilt für eine bestimmte Gatespannung U_GS. Bei einer Gatespannung von 0 V ist die Sperrschicht am schmalsten bzw. kleinsten. Hier fließt der größte Strom I_D durch den Kanal. Ab der Abschnürgrenze lässt sich der Strom durch den Kanal nicht mehr erhöhen. Ab dieser Drainspannung U_DS wird der Drainstrom I_D nicht mehr wesentlich größer. Steigt die Drainspannung auf einen zu hohen Wert an, entsteht ein Durchbruch der Sperrschicht. Der Durchbruch ist mit dem Zener-Effekt der Z-Diode vergleichbar und hat die Zerstörung des Feldeffekttransistors zur Folge.

Schaltzeichen

n-Kanal-Sperrschicht-FET

p-Kanal-Sperrschicht-FET

Anwendungen

• Analogschalter (IC)
• Schalten von Wechselspannungen
• Konstantstromquelle
• Verstärker

Sperrschicht-FETs werden in Verstärkern, in Schalterstufen und Oszillatoren eingesetzt. Ein besonderer Vorteil ist ihr großer Eingangswiderstand, der eine leistungslose Steuerung ermöglicht.
Der FET eignet sich auch für hochfrequente Anwendungen. Aber, wenn der sehr hohe Eingangswiderstand im Vordergrund steht, dann kann die JFET- oder MOSFET-Schaltung nicht auch noch für hohe Frequenzen zum Einsatz kommen. Das ist dann der Fall, wenn die Quellimpedanz (Ausgangswiderstand der vorgeschalteten Schaltung) auch sehr hoch ist.
Für große Ströme eignet sich der JFET nicht. Dafür gibt es die Power-MOS-FETs. Man kann den JFET durchaus als Schalter verwenden, wenn die Ströme klein sind. Zum Beispiel als Signalschalter.