FET-Transistoren
(17 611)Unipolare Transistoren sind, wie bipolare Transistoren, elektronische Bauelemente, die elektrische Signale verstärken. Durch die Verwendung eines Niedrigleistungs-Steuersignals ist es möglich, eine hohe Spannung oder einen hohen Strom zu steuern. Sie sind dann eine Art Schalter. Unipolare Transistoren werden in Wandlern, Leistungsverstärkern, Wechselrichtern und verwandten Geräten verwendet. Erwähnenswert ist hier, dass beispielsweise Prozessoren aus sogar einer Milliarde sehr kleiner Unipolartransistoren bestehen, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind.
Arten von Unipolartransistoren
Es gibt verschiedene Arten von unipolaren Transistoren, darunter J-FET (eng.Junction Field Effect Transistor), MOSFET (eng. Metal Oxide Semiconductor FET) oder TFT (eng. Thin Film Transistor). Es gibt mehrere andere Arten von unipolaren Transistoren, aber in der Praxis werden die ersten beiden Arten am häufigsten in elektronischen Schaltungen verwendet. Andererseits werden TFT-Transistoren aufgrund ihres engen Anwendungsbereichs hauptsächlich in Flüssigkristallanzeigen (LCD) verwendet.
Aufbau und Funktionsweise von Unipolartransistoren
Unipolare Transistoren haben standardmäßig drei Leitungen, die als Drain, Source und Gate bezeichnet werden. Bedenkt man, dass Unipolar- und Bipolartransistoren meist in denselben Gehäusen vorkommen und fast identische Funktionen erfüllen, ist es auf den ersten Blick schwierig, sie voneinander zu unterscheiden. Es muss jedoch beachtet werden, dass beide einen unterschiedlichen Aufbau haben.
Feldeffekttransistoren J-FET arbeiten hauptsächlich aufgrund der Eigenschaften des Phänomens des elektrischen Felds. Der Aufbau dieses Transistortyps basiert auf der Verwendung einer Schicht aus einem N-Typ- oder P-Typ-Halbleiter, mit der die Zuleitungen von Drain und Source verbunden sind, und einem Halbleiter mit schwacher und entgegengesetzter Dotierung, der normalerweise den sogenannten Transistorkanal umschlingt und an den die Gate-Leitung angeschlossen ist. Die Dotierung des Halbleiters, der der Kanal ist, bestimmt, ob es sich um einen J-FET-Transistor vom Typ N (N-JFET) oder P (P-JFET) handelt, wobei letzterer in der Praxis viel seltener verwendet wird.
Beschreiben wir beispielsweise den Betrieb eines unipolaren J-FET mit einem N-Kanal. Wenn an den Pins dieses Elements, die als Drain und Source gekennzeichnet sind, Spannung anliegt, fließt Strom zwischen Source und Drain. Für den Fall, dass der Gate-Anschluss in Sperrrichtung polarisiert wird, d.h. in diesem Fall ist die an das Gate angelegte Spannung gegenüber der Source negativ, beginnt der Strom, der durch den Transistorkanal fließt, zu sinken und dann zu verschwinden. Dies liegt daran, dass der verarmte Bereich zwischen Drain und Source zuzunehmen beginnt. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source hoch genug ist, d.h. bei einem N-Kanal-J-FET ist die Gate-Spannung niedrig genug, hört der Strom völlig auf, durch den Kanal zu fließen. Üblicherweise beträgt diese Spannung einige Volt und hängt vom jeweiligen Transistortyp ab. Dieser Zustand des unipolaren Transistors wird als Trennung bezeichnet, und der Widerstandswert zwischen Drain und Source ist sehr hoch und liegt in der Größenordnung von Gigaohm [GΩ]. Es ist erwähnenswert, dass die Steuerung des Unipolartransistors nur spannungsbasiert ist. Der zwischen Gate und Source fließende Strom ist praktisch null.
Unipolartransistoren vom Typ MOSFET
Eine andere Art von häufig verwendeten unipolaren Transistoren ist der MOSFET. Bei dieser Art von elektronischem Element ist das Gate aus Metall mit einem dünnen Bereich aus Siliziumdioxid von den anderen Elementen des Transistors galvanisch getrennt. Der wichtigste und größte Teil des MOSFET ist das Substrat, also ein schwach dotierter Halbleiter vom Typ P oder N, an den die Basisleitung und zwei kleine Bereiche mit entgegengesetzter und starker Dotierung angeschlossen sind. Die Source- und Drain-Ausführungen sind mit ihnen verbunden. Sie bestimmen, ob es sich bei dem Transistor um einen Kanal vom P-Typ oder N-Typ handelt. Wenn keine Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Pins des unipolaren Transistors besteht, bilden die beiden P-N-Übergänge zwischen Source und Drain quasi zwei in Reihe geschaltete Dioden. In diesem Fall ist einer von ihnen in Sperrrichtung polarisiert, sodass kein Strom durch den Transistor fließen kann (solange die angelegte Spannung den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet). Wenn jedoch das zwischen Source und Drain liegende Gate bei entsprechender Polarisierung einen ausreichend hohen Spannungswert aufweist (z. B. bei einem Transistor mit N-Kanal, ist es eine gegenüber Source positive Spannung) und die sogenannte Schwellenspannung überschritten wird, wird die Wirkung des elektrischen Feldes auf die darunter liegende Schicht eines schwach dotierten Halbleiters zur Bildung des sogenannten Inversionsschicht führen. Dadurch entsteht ein Kanal, der die Zuleitungen von Source und Drain elektrisch verbindet. Die Stärke des Stroms, der in diesem Fall durch den Transistor fließen kann, hängt von der Höhe der am Ausgang des Gates anliegenden Spannung ab und ist linear, jedoch nur bis zu einem bestimmten Wert des Drain-Stroms. Natürlich gibt es auch für die am Ausgang des Gates anliegende Spannung einen Wert, über den der Strom nicht mehr ansteigt, und diesen nennt man Sättigungsspannung.
Der eben beschriebene Fall betraf einen MOSFET mit erweitertem Kanal. Ein solcher Transistor ist normalerweise geschlossen und nur wird nur geöffnet, wenn die entsprechende Spannung an das Gate angelegt wird. Es gibt aber auch Transistoren mit verarmtem Kanal, die viel seltener sind und bei denen, wenn das Gate das gleiche Potential wie die Quelle hat, ist es offen und kann Strom leiten.
Der Bau des MOSFET bewirkt, dass er sich wie ein Kondensator verhält und eine ziemlich große Kapazität haben kann. Daher kann die Änderung des Zustands eines solchen Transistors bei hoher Frequenz problematisch sein, da es einige Zeit dauert, die Kapazität am Gate zu laden und zu entladen und somit den Leitungszustand dieses elektrischen Elements zu ändern. Aus diesem Grund müssen sich die Ansteuersysteme für MOSFETs durch eine hohe Stromeffizienz auszeichnen. Eine weitere Eigenschaft von MOSFETs besteht darin, eine Diode zwischen Drain und Source zu haben, die manchmal als parasitäre Diode bezeichnet wird. Seine Existenz ergibt sich aus der bereits erwähnten Struktur des Transistors. Dies ist eine wichtige Information im Falle einer AC-Steuerung.
Unipolare Transistoren sind in Form von oberflächen- oder durchgangslochmontierten Elementen zu finden. Aus diesem Grund gibt es sie in vielen verschiedenen Gehäusen, von denen die beliebtesten DPAK, D2PAK, TO220, TO247 und SOT23 sind. Normalerweise haben sie drei Pins (ohne Mehrkanaltransistoren).
Parameter und Eigenschaften von Unipolartransistoren
Parameter, die bei der Auswahl des richtigen Transistors wichtig sind, sind unter anderem maximale Drain-Source-Spannung (angegeben in Volt [V]), maximale Gate-Source-Spannung, die in diesem Fall die Steuerspannung ist, maximaler Drain-Strom (angegeben in Ampere [A]), Verlustleistung (angegeben in Watt [W]), und der Leitungswiderstand (angegeben in Ohm [Ω] oder in Milliohm [mΩ]). Das Überschreiten der maximalen Spannung oder des maximalen Stroms kann zu Fehlfunktionen der Komponenten oder irreversiblen Schäden führen. Außerdem kann die Abgabe von zu viel Leistung am Unipolartransistor dessen Überhitzung und Beschädigung verursachen. In der Praxis kommen zusätzliche Kühlkörper zum Einsatz, die mit dem Bauteil in Kontakt stehen und so eine effizientere Wärmeabfuhr an die Umgebung ermöglichen. Manchmal (z.B. in Schaltnetzteilen) wird auch eine erzwungene Luftzirkulation verwendet, die durch Lüfter bereitgestellt wird und die Kühlung verbessert.
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