Feldeffekttransistor

Feldeffekttransistoren (FETs) sind eine Gruppe von Transistoren, bei denen im Gegensatz zu den Bipolartransistoren nur ein Ladungstyp am elektrischen Strom beteiligt ist – abhängig von der Bauart: Elektronen oder Löcher bzw. Defektelektronen. Sie werden bei tiefen Frequenzen – im Gegensatz zu den Bipolartransistoren – weitestgehend leistungs- bzw. verlustlos geschaltet. Die am weitesten verbreitete Art des Feldeffekttransistors ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). ⓘ

Anschlüsse und Dotierungen im Substrat eines n-Kanal-MOSFET ⓘ

Entdeckt wurde das Prinzip des Feldeffekttransistors im Jahr 1925 von Julius Lilienfeld. Damals war es aber noch nicht möglich, einen solchen FET auch tatsächlich herzustellen. Halbleitermaterial der notwendigen Reinheit als Ausgangsmaterial kommt in der Natur nicht vor und Methoden zur Erzeugung hochreinen Halbleitermaterials waren noch nicht bekannt. Insofern waren auch die speziellen Eigenschaften von Halbleitern noch nicht ausreichend erforscht. Erst mit der Herstellung hochreiner Halbleiterkristalle (Germanium) Anfang der 1950er-Jahre wurde dieses Problem gelöst. Aber erst durch die Silizium-Halbleitertechnologie (u. a. thermische Oxidation von Silizium) in den 1960er-Jahren konnten erste Labormuster des FET hergestellt werden. ⓘ

Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors mit Source-, Gate- und Drain-Anschlüssen ⓘ

Der Feldeffekttransistor (FET) ist ein Transistortyp, der ein elektrisches Feld zur Steuerung des Stromflusses in einem Halbleiter verwendet. FETs (JFETs oder MOSFETs) sind Bauelemente mit drei Anschlüssen: Source, Gate und Drain. FETs steuern den Stromfluss durch Anlegen einer Spannung an das Gate, die wiederum die Leitfähigkeit zwischen Drain und Source verändert. ⓘ

Geschichte

Julius Edgar Lilienfeld schlug das Konzept des Feldeffekttransistors im Jahr 1925 vor. ⓘ

Das Konzept des Feldeffekttransistors (FET) wurde erstmals 1925 von dem österreichisch-ungarischen Physiker Julius Edgar Lilienfeld und 1934 von Oskar Heil patentiert, die jedoch nicht in der Lage waren, ein funktionierendes, praktisches Halbleitergerät auf der Grundlage dieses Konzepts zu bauen. Der Transistoreffekt wurde später von John Bardeen und Walter Houser Brattain beobachtet und erklärt, als sie 1947, kurz nach Ablauf des 17-jährigen Patents, unter William Shockley in den Bell Labs arbeiteten. Shockley versuchte zunächst, einen funktionierenden FET zu bauen, indem er versuchte, die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu modulieren, was ihm jedoch nicht gelang, hauptsächlich aufgrund von Problemen mit den Oberflächenzuständen, der baumelnden Bindung und den Germanium- und Kupferverbindungen. Bei dem Versuch, die mysteriösen Gründe für ihr Scheitern beim Bau eines funktionierenden FET zu verstehen, erfanden Bardeen und Brattain 1947 stattdessen den Punktkontakttransistor, dem 1948 der bipolare Übergangstransistor von Shockley folgte. ⓘ

Der erste erfolgreich gebaute FET-Baustein war der Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET). Ein JFET wurde erstmals 1945 von Heinrich Welker patentiert. Der statische Induktionstransistor (SIT), eine Art JFET mit kurzem Kanal, wurde 1950 von den japanischen Ingenieuren Jun-ichi Nishizawa und Y. Watanabe erfunden. Nach Shockleys theoretischer Abhandlung über den JFET im Jahr 1952 wurde 1953 von George F. Dacey und Ian M. Ross ein funktionierender praktischer JFET gebaut. Der JFET wies jedoch immer noch Probleme auf, die die Sperrschichttransistoren im Allgemeinen betrafen. Übergangstransistoren waren relativ sperrige Bauelemente, die sich nur schwer in Massenproduktion herstellen ließen, was sie auf eine Reihe von Spezialanwendungen beschränkte. Der Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET) wurde als potenzielle Alternative zu den Übergangstransistoren erdacht, aber die Forscher waren nicht in der Lage, funktionierende IGFETs zu bauen, was vor allem an der störenden Oberflächenbarriere lag, die das Eindringen des externen elektrischen Feldes in das Material verhinderte. Mitte der 1950er Jahre hatten die Forscher das FET-Konzept weitgehend aufgegeben und konzentrierten sich stattdessen auf die Technologie der bipolaren Übergangstransistoren (BJT). ⓘ

Die Grundlagen der MOSFET-Technologie wurden durch die Arbeiten von William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain gelegt. Shockley entwickelte das FET-Konzept im Jahr 1945 unabhängig, konnte aber kein funktionierendes Gerät bauen. Im darauf folgenden Jahr erklärte Bardeen sein Scheitern mit der Theorie der Oberflächenzustände. Bardeen wandte die Theorie der Oberflächenzustände auf Halbleiter an (frühere Arbeiten über Oberflächenzustände wurden 1939 von Shockley und 1932 von Igor Tamm durchgeführt) und erkannte, dass das externe Feld an der Oberfläche durch zusätzliche Elektronen blockiert wird, die zur Halbleiteroberfläche gezogen werden. Die Elektronen werden in diesen lokalisierten Zuständen gefangen und bilden eine Inversionsschicht. Bardeens Hypothese war die Geburtsstunde der Oberflächenphysik. Bardeen beschloss daraufhin, eine Inversionsschicht anstelle der sehr dünnen Halbleiterschicht zu verwenden, die Shockley in seinen FET-Designs vorgesehen hatte. Auf der Grundlage seiner Theorie patentierte Bardeen 1948 den Vorläufer des MOSFET, einen FET mit isoliertem Gate (IGFET) mit einer Inversionsschicht. Die Inversionsschicht begrenzt den Fluss von Minoritätsträgern und erhöht so die Modulation und Leitfähigkeit, obwohl der Elektronentransport vom Isolator des Gates oder von der Qualität des Oxids abhängt, wenn dieses als Isolator verwendet wird und über der Inversionsschicht aufgebracht ist. Das Patent von Bardeen und das Konzept der Inversionsschicht bilden die Grundlage der heutigen CMOS-Technologie. 1976 bezeichnete Shockley Bardeens Oberflächenzustands-Hypothese als "eine der bedeutendsten Forschungsideen im Halbleiterprogramm". ⓘ

Nach Bardeens Oberflächenzustands-Theorie versuchte das Trio, den Effekt der Oberflächenzustände zu überwinden. Ende 1947 schlugen Robert Gibney und Brattain die Verwendung eines Elektrolyts zwischen Metall und Halbleiter vor, um die Auswirkungen der Oberflächenzustände zu überwinden. Ihr FET-Bauelement funktionierte, aber die Verstärkung war schlecht. Bardeen ging noch weiter und schlug vor, sich auf die Leitfähigkeit der Inversionsschicht zu konzentrieren. In weiteren Experimenten ersetzten sie den Elektrolyten durch eine feste Oxidschicht, in der Hoffnung, bessere Ergebnisse zu erzielen. Ihr Ziel war es, die Oxidschicht zu durchdringen und die Inversionsschicht zu erreichen. Bardeen schlug ihnen jedoch vor, von Silizium auf Germanium umzusteigen, und dabei wurde ihr Oxid versehentlich abgewaschen. Sie stießen auf einen völlig anderen Transistor, den Punktkontakttransistor. Lillian Hoddeson argumentiert, dass "Brattain und Bardeen, wenn sie mit Silizium statt Germanium gearbeitet hätten, auf einen erfolgreichen Feldeffekttransistor gestoßen wären". ⓘ

Ende der ersten Hälfte der 1950er Jahre wurde nach den theoretischen und experimentellen Arbeiten von Bardeen, Brattain, Kingston, Morrison und anderen immer deutlicher, dass es zwei Arten von Oberflächenzuständen gab. Es wurde festgestellt, dass schnelle Oberflächenzustände mit der Masse und einer Halbleiter/Oxid-Grenzfläche verbunden sind. Langsame Oberflächenzustände wurden mit der Oxidschicht in Verbindung gebracht, und zwar aufgrund der Adsorption von Atomen, Molekülen und Ionen durch das Oxid aus der Umgebung. Es wurde festgestellt, dass letztere viel zahlreicher sind und viel längere Relaxationszeiten haben. Zu dieser Zeit entwickelten Philo Farnsworth und andere verschiedene Methoden zur Herstellung atomar sauberer Halbleiteroberflächen. ⓘ

1955 bedeckten Carl Frosch und Lincoln Derrick versehentlich die Oberfläche eines Siliziumwafers mit einer Schicht aus Siliziumdioxid. Sie zeigten, dass die Oxidschicht das Eindringen bestimmter Dotierstoffe in den Siliziumwafer verhinderte, während sie andere zuließ, und entdeckten so die passivierende Wirkung der Oxidation auf der Halbleiteroberfläche. In ihren weiteren Arbeiten zeigten sie, wie man kleine Öffnungen in die Oxidschicht ätzen kann, um Dotierstoffe in ausgewählte Bereiche des Siliziumwafers zu diffundieren. Im Jahr 1957 veröffentlichten sie eine Forschungsarbeit und patentierten ihre Technik, in der sie ihre Arbeit zusammenfassten. Die von ihnen entwickelte Technik ist als Oxiddiffusionsmaskierung bekannt, die später bei der Herstellung von MOSFET-Bauelementen zum Einsatz kommen sollte. In den Bell Labs wurde die Bedeutung von Froschs Technik sofort erkannt. Die Ergebnisse ihrer Arbeit zirkulierten in den Bell Labs in Form von BTL-Memos, bevor sie 1957 veröffentlicht wurden. Bei Shockley Semiconductor hatte Shockley den Vorabdruck ihres Artikels im Dezember 1956 an alle seine leitenden Mitarbeiter, einschließlich Jean Hoerni, weitergegeben. ⓘ

Im Jahr 1955 meldete Ian Munro Ross ein Patent für einen FeFET oder MFSFET an. Seine Struktur entsprach der eines modernen Inversionskanal-MOSFETs, doch wurde anstelle von Oxid ferroelektrisches Material als Dielektrikum/Isolator verwendet. Er sah ihn als eine Art Speicher an, Jahre vor dem Floating-Gate-MOSFET. Im Februar 1957 meldete John Wallmark ein Patent für einen FET an, bei dem Germaniummonoxid als Gate-Dielektrikum verwendet wurde, aber er verfolgte diese Idee nicht weiter. In seinem anderen Patent, das er im selben Jahr anmeldete, beschrieb er einen FET mit doppeltem Gate. Im März 1957 entwarf Ernesto Labate, ein Forscher bei Bell Labs, in seinem Labornotizbuch ein Gerät, das dem später vorgeschlagenen MOSFET ähnelte, obwohl Labates Gerät nicht ausdrücklich Siliziumdioxid als Isolator verwendete. ⓘ

Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET)

Mohamed Atalla (links) und Dawon Kahng (rechts) erfanden den MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) im Jahr 1959. ⓘ

Einen Durchbruch in der FET-Forschung brachte die Arbeit des ägyptischen Ingenieurs Mohamed Atalla Ende der 1950er Jahre. Im Jahr 1958 stellte er experimentelle Arbeiten vor, die zeigten, dass das Aufwachsen von dünnem Siliziumoxid auf einer sauberen Siliziumoberfläche zu einer Neutralisierung der Oberflächenzustände führt. Dies ist als Oberflächenpassivierung bekannt, eine Methode, die für die Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung wurde, da sie die Massenproduktion integrierter Siliziumschaltungen ermöglichte. ⓘ

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) wurde dann 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng erfunden. Der MOSFET löste sowohl den Bipolartransistor als auch den JFET weitgehend ab und hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung der digitalen Elektronik. Dank seiner hohen Skalierbarkeit, seines wesentlich geringeren Stromverbrauchs und seiner höheren Dichte als Bipolartransistoren ermöglichte der MOSFET den Bau integrierter Schaltungen mit hoher Dichte. Der MOSFET kann auch eine höhere Leistung als der JFET verarbeiten. Der MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und in Massenproduktion für eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt werden konnte. Der MOSFET wurde so zum häufigsten Transistortyp in Computern, Elektronik und Kommunikationstechnologie (z. B. Smartphones). Das US-Patent- und Markenamt bezeichnet ihn als eine "bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur auf der ganzen Welt verändert hat". ⓘ

CMOS (Complementary MOS), ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen für MOSFETs, wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor entwickelt. Der erste Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET stammt von Dawon Kahng und Simon Sze aus dem Jahr 1967. Ein MOSFET mit doppeltem Gate wurde erstmals 1984 von den Forschern des Electrotechnical Laboratory Toshihiro Sekigawa und Yutaka Hayashi demonstriert. Der FinFET (Fin-Field-Effect-Transistor), eine Art nicht planarer 3D-Multi-Gate-MOSFET, geht auf die Forschungen von Digh Hisamoto und seinem Team am Hitachi Central Research Laboratory im Jahr 1989 zurück. ⓘ

Serienreife

Wegen anfänglich noch auftretender Probleme mit bipolaren Transistoren begann ab ca. 1955 eine eingehendere Forschungstätigkeit zu Halbleiteroberflächen sowie die Entwicklung von Fertigungsverfahren, die erste Feldeffekttransistoren zur Serienreife brachten. Mehrere Wissenschaftler und Ingenieure leisteten hier Pionierarbeit, u. a. der Südkoreaner Dawon Kahng und der Ägypter Martin M. Atalla. Ihre Arbeit bei den Bell Telephone Laboratories mündete ab 1960 in mehrere Patente. Die erste Patentanmeldung im deutschsprachigen Raum zur Fertigung serienreifer Feldeffekttransistoren erfolgte am 19. Mai 1961 beim DPMA mit dem Titel: Halbleitereinrichtung (später Verstärkendes Halbleiterbauelement genannt). ⓘ

Zu heutigen Herstellungsverfahren von Feldeffekttransistoren zählt insbesondere die Planartechnik und die FinFET-Technik. ⓘ

Grundlegende Informationen

FETs können Majoritätsladungsträger-Bauelemente sein, bei denen der Strom überwiegend von Majoritätsladungsträgern getragen wird, oder Minoritätsladungsträger-Bauelemente, bei denen der Strom hauptsächlich durch einen Fluss von Minoritätsträgern verursacht wird. Das Bauelement besteht aus einem aktiven Kanal, durch den Ladungsträger, Elektronen oder Löcher, von der Source zum Drain fließen. Die Source- und Drain-Anschlussleiter sind über ohmsche Kontakte mit dem Halbleiter verbunden. Die Leitfähigkeit des Kanals ist eine Funktion des an den Gate- und Source-Anschlüssen angelegten Potenzials. ⓘ

Die drei Anschlüsse des FET sind:

1. Source (S), durch den die Ladungsträger in den Kanal eintreten. Der Strom, der an S in den Kanal fließt, wird üblicherweise mit I_S bezeichnet.
2. Drain (D), durch den die Ladungsträger den Kanal verlassen. Der Strom, der in den Kanal an D eintritt, wird üblicherweise mit ID bezeichnet. Die Drain-zu-Source-Spannung ist V_DS.
3. Gate (G), der Anschluss, der die Leitfähigkeit des Kanals moduliert. Durch Anlegen einer Spannung an G kann man ID steuern. ⓘ

Mehr über Anschlüsse

Querschnitt eines n-Typ MOSFET ⓘ

Alle FETs haben Source-, Drain- und Gate-Anschlüsse, die in etwa dem Emitter, Kollektor und der Basis von BJTs entsprechen. Die meisten FETs haben einen vierten Anschluss, der Body, Base, Bulk oder Substrat genannt wird. Dieser vierte Anschluss dient dazu, den Transistor in Betrieb zu nehmen. Es ist selten, dass der Body-Anschluss in Schaltungsentwürfen nicht trivial verwendet wird, aber sein Vorhandensein ist wichtig, wenn man das physische Layout einer integrierten Schaltung aufbaut. Die Größe des Gates, Länge L im Diagramm, ist der Abstand zwischen Source und Drain. Die Breite ist die Ausdehnung des Transistors in der Richtung senkrecht zum Querschnitt im Diagramm (d. h. in den Bildschirm hinein/aus dem Bildschirm heraus). Normalerweise ist die Breite viel größer als die Länge des Gates. Eine Gate-Länge von 1 µm begrenzt die obere Frequenz auf etwa 5 GHz, 0,2 µm auf etwa 30 GHz. ⓘ

Die Namen der Anschlüsse beziehen sich auf ihre Funktionen. Der Gate-Anschluss kann als Steuerung des Öffnens und Schließens eines physischen Gates betrachtet werden. Dieses Gate lässt Elektronen durchfließen oder blockiert ihren Durchgang, indem es einen Kanal zwischen Source und Drain schafft oder beseitigt. Der Elektronenfluss vom Source-Anschluss zum Drain-Anschluss wird durch eine angelegte Spannung beeinflusst. Der Body bezeichnet einfach die Masse des Halbleiters, in der Gate, Source und Drain liegen. In der Regel ist der Body-Anschluss mit der höchsten oder niedrigsten Spannung innerhalb der Schaltung verbunden, je nach Art des FET. Der Body-Anschluss und der Source-Anschluss sind manchmal zusammengeschaltet, da die Source oft mit der höchsten oder niedrigsten Spannung innerhalb der Schaltung verbunden ist, obwohl es mehrere Verwendungszwecke von FETs gibt, die keine solche Konfiguration aufweisen, wie z. B. Transmission Gates und Kaskodenschaltungen. ⓘ

Im Gegensatz zu BJTs ist die große Mehrheit der FETs elektrisch symmetrisch. Die Source- und Drain-Anschlüsse können daher in praktischen Schaltungen vertauscht werden, ohne dass sich die Betriebseigenschaften oder die Funktion ändern. Dies kann verwirrend sein, wenn FETs in Schaltplänen und Schaltungen "verkehrt herum" angeschlossen zu sein scheinen, weil die physische Ausrichtung des FETs aus anderen Gründen beschlossen wurde, z. B. aus Gründen des Layouts der gedruckten Schaltung. ⓘ

Auswirkung der Gate-Spannung auf den Strom

I-U-Kennlinie und Ausgangsdiagramm eines JFET n-Kanal-Transistors. ⓘ

Simulationsergebnis für die rechte Seite: Bildung des Inversionskanals (Elektronendichte) und die linke Seite: Strom-Gate-Spannungskurve (Übertragungseigenschaften) in einem n-Kanal-Nanodraht-MOSFET. Beachten Sie, dass die Schwellenspannung für dieses Bauelement bei etwa 0,45 V liegt. ⓘ

Konventionelle FET-Symboltypen ⓘ

Der FET steuert den Fluss von Elektronen (oder Elektronenlöchern) von der Source zum Drain, indem er die Größe und Form eines "leitenden Kanals" beeinflusst, der durch die an den Gate- und Source-Anschlüssen angelegte Spannung (oder das Fehlen einer Spannung) erzeugt und beeinflusst wird. (Der Einfachheit halber wird in dieser Diskussion davon ausgegangen, dass der Körper und die Source verbunden sind). Dieser leitende Kanal ist der "Strom", durch den die Elektronen von der Source zum Drain fließen. ⓘ

n-Kanal-FET

In einem n-Kanal-FET im "Verarmungsmodus" bewirkt eine negative Gate-Source-Spannung, dass sich ein Verarmungsgebiet ausdehnt und von den Seiten in den Kanal eindringt, wodurch sich der Kanal verengt. Wenn sich die aktive Zone so weit ausdehnt, dass sie den Kanal vollständig verschließt, wird der Widerstand des Kanals von der Source zum Drain groß, und der FET wird wie ein Schalter ausgeschaltet (siehe Abbildung rechts, wenn der Strom sehr gering ist). Dies wird als "Pinch-Off" bezeichnet, und die Spannung, bei der dies geschieht, wird als "Pinch-Off-Spannung" bezeichnet. Umgekehrt vergrößert eine positive Gate-Source-Spannung den Kanal und lässt die Elektronen leicht fließen (siehe Abbildung rechts, wenn es einen Leitungskanal gibt und der Strom groß ist). ⓘ

In einem n-Kanal-Bauelement im "Anreicherungsmodus" gibt es keinen natürlichen Leitungskanal im Transistor, und eine positive Gate-Source-Spannung ist erforderlich, um einen solchen zu erzeugen. Die positive Spannung zieht frei schwebende Elektronen innerhalb des Körpers zum Gate hin an, wodurch ein leitender Kanal entsteht. Zunächst müssen jedoch genügend Elektronen in der Nähe des Gates angezogen werden, um den Dotierstoffionen, die dem Körper des FET hinzugefügt wurden, entgegenzuwirken; dadurch entsteht ein Bereich ohne bewegliche Ladungsträger, der als Verarmungsbereich bezeichnet wird, und die Spannung, bei der dies geschieht, wird als Schwellenspannung des FET bezeichnet. Durch eine weitere Erhöhung der Gate-Source-Spannung werden noch mehr Elektronen zum Gate angezogen, die den Kanal von der Source zum Drain aktivieren können; dieser Vorgang wird als Inversion bezeichnet. ⓘ

p-Kanal-FET

In einem p-Kanal-FET im "Verarmungsmodus" vergrößert eine positive Spannung vom Gate zum Body die Verarmungsschicht, indem sie Elektronen zur Gate-Isolator/Halbleiter-Grenzfläche zwingt und einen trägerfreien Bereich mit unbeweglichen, positiv geladenen Akzeptor-Ionen freilässt. ⓘ

Umgekehrt gibt es in einem p-Kanal-Bauelement im "Anreicherungsmodus" keinen leitenden Bereich und es muss eine negative Spannung angelegt werden, um einen Leitungskanal zu erzeugen. ⓘ

Auswirkung der Drain-zu-Source-Spannung auf den Kanal

Bei Bauelementen im Anreicherungs- oder Verarmungsmodus ändert sich der Kanalwiderstand bei Drain-Source-Spannungen, die wesentlich geringer sind als die Gate-Source-Spannungen, und der Drainstrom ist proportional zur Drainspannung (bezogen auf die Source-Spannung). In diesem Modus arbeitet der FET wie ein variabler Widerstand, und man sagt, dass der FET in einem linearen Modus oder ohmschen Modus arbeitet. ⓘ

Wird die Drain-zu-Source-Spannung erhöht, führt dies zu einer erheblichen asymmetrischen Veränderung der Kanalform aufgrund eines Spannungsgefälles von der Source zum Drain. Die Form des Inversionsbereichs wird in der Nähe des Drain-Endes des Kanals "abgekniffen" (pinched-off). Wird die Spannung zwischen Drain und Source weiter erhöht, beginnt sich der Pinch-Off-Punkt des Kanals vom Drain zur Source zu verschieben. Man sagt, der FET befinde sich im Sättigungsmodus; manche Autoren bezeichnen ihn jedoch auch als aktiven Modus, um eine bessere Analogie zu den Betriebsbereichen von Bipolartransistoren herzustellen. Der Sättigungsmodus oder der Bereich zwischen ohmscher und Sättigung wird verwendet, wenn eine Verstärkung erforderlich ist. Der Bereich dazwischen wird manchmal als Teil des ohmschen oder linearen Bereichs betrachtet, auch wenn der Drain-Strom nicht annähernd linear mit der Drain-Spannung ist. ⓘ

Obwohl der leitende Kanal, der durch die Gate-Source-Spannung gebildet wird, im Sättigungsmodus keine Verbindung mehr zwischen Source und Drain herstellt, werden die Ladungsträger nicht am Fließen gehindert. Betrachtet man wiederum ein n-Kanal-Bauelement im Anreicherungsmodus, so gibt es im p-Typ-Körper eine Verarmungszone, die den leitenden Kanal sowie die Drain- und Sourcebereiche umgibt. Die Elektronen, die den Kanal bilden, können sich frei aus dem Kanal durch die Verarmungszone bewegen, wenn sie durch die Drain-Source-Spannung zum Drain gezogen werden. Das Verarmungsgebiet ist frei von Ladungsträgern und hat einen ähnlichen Widerstand wie Silizium. Jede Erhöhung der Drain-Source-Spannung vergrößert den Abstand zwischen Drain und Pinch-Off-Punkt, wodurch der Widerstand des Verarmungsbereichs proportional zur angelegten Drain-Source-Spannung steigt. Diese proportionale Änderung bewirkt, dass der Drain-Source-Strom unabhängig von Änderungen der Drain-Source-Spannung relativ konstant bleibt, ganz im Gegensatz zu seinem ohmschen Verhalten im linearen Betriebsmodus. Im Sättigungsmodus verhält sich der FET also eher wie eine Konstantstromquelle als wie ein Widerstand und kann effektiv als Spannungsverstärker eingesetzt werden. In diesem Fall bestimmt die Gate-zu-Source-Spannung die Höhe des Konstantstroms durch den Kanal. ⓘ

Zusammensetzung

FETs können aus verschiedenen Halbleitern hergestellt werden, von denen Silizium bei weitem der häufigste ist. Die meisten FETs werden mit Hilfe herkömmlicher Bulk Die meisten FETs werden mit herkömmlichen Bulk-Halbleiter-Verarbeitungstechniken hergestellt, wobei ein Einkristall-Halbleiterplättchen als aktiver Bereich bzw. Kanal verwendet wird. ⓘ

Zu den ungewöhnlicheren Körpermaterialien gehören amorphes Silizium, polykristallines Silizium oder andere amorphe Halbleiter in Dünnschichttransistoren oder organische Feldeffekttransistoren (OFETs), die auf organischen Halbleitern basieren; häufig bestehen auch die Gate-Isolatoren und Elektroden von OFETs aus organischen Materialien. Solche FETs werden aus einer Vielzahl von Materialien wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und Indiumgalliumarsenid (InGaAs) hergestellt. ⓘ

Im Juni 2011 gab IBM bekannt, dass es erfolgreich FETs auf Graphenbasis in einem integrierten Schaltkreis eingesetzt hat. Diese Transistoren erreichen eine Grenzfrequenz von etwa 2,23 GHz und liegen damit deutlich über der von Standard-Silizium-FETs. ⓘ

Typen

FETs vom Verarmungstyp bei typischen Spannungen: JFET, Poly-Silizium-MOSFET, Doppel-Gate-MOSFET, Metall-Gate-MOSFET, MESFET.

  Verarmung

  Elektronen

  Löcher

  Metall

  Isolator

Oben: Source, unten: Drain, links: Gate, rechts: Bulk. Spannungen, die zur Kanalbildung führen, sind nicht dargestellt. ⓘ

Der Kanal eines FET wird dotiert, um entweder einen n-Typ-Halbleiter oder einen p-Typ-Halbleiter zu erzeugen. Drain und Source können bei FETs im Anreicherungsmodus vom entgegengesetzten Typ wie der Kanal oder bei FETs im Verarmungsmodus vom ähnlichen Typ wie der Kanal dotiert sein. Feldeffekttransistoren werden auch nach der Art der Isolierung zwischen Kanal und Gate unterschieden. Zu den Arten von FETs gehören:

• Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet einen Isolator (in der Regel SiO₂) zwischen dem Gate und dem Gehäuse. Dies ist der bei weitem am häufigsten verwendete FET-Typ.
  • Der DGMOSFET (Dual-Gate-MOSFET) oder DGMOS, ein MOSFET mit zwei isolierten Gates.
  • Der IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) ist ein Gerät zur Leistungssteuerung. Seine Struktur ähnelt der eines MOSFET, der mit einem bipolarartigen Hauptleitungskanal gekoppelt ist. Sie werden üblicherweise für den Betrieb im Spannungsbereich von 200-3000 V zwischen Drain und Source eingesetzt. Für Drain-Source-Spannungen von 1 bis 200 V sind Leistungs-MOSFETs nach wie vor das Mittel der Wahl.
  • Der JLNT (Junctionless nanowire transistor) ist eine Art von Feldeffekttransistor (FET), dessen Kanal aus einem oder mehreren Nanodrähten besteht und keinen Übergang aufweist.
  • Der MNOS (Metall-Nitrid-Oxid-Halbleiter-Transistor) verwendet eine Nitrid-Oxid-Schicht als Isolator zwischen dem Gate und dem Gehäuse.
  • Der ISFET (ionensensitiver Feldeffekttransistor) kann zur Messung von Ionenkonzentrationen in einer Lösung verwendet werden; wenn sich die Ionenkonzentration (z. B. H⁺, siehe pH-Elektrode) ändert, ändert sich der Strom durch den Transistor entsprechend.
  • Der BioFET (biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor) ist eine Klasse von Sensoren/Biosensoren, die auf der ISFET-Technologie basieren und zum Nachweis geladener Moleküle verwendet werden; wenn ein geladenes Molekül vorhanden ist, führen Änderungen des elektrostatischen Feldes an der BioFET-Oberfläche zu einer messbaren Änderung des Stroms durch den Transistor. Dazu gehören enzymmodifizierte FETs (EnFETs), immunologisch modifizierte FETs (ImmunoFETs), genmodifizierte FETs (GenFETs), DNAFETs, zellbasierte BioFETs (CPFETs), Käfer/Chip-FETs (BeetleFETs) und FETs auf der Grundlage von Ionenkanälen/Proteinbindung.
  • Der DNAFET (DNA-Feldeffekttransistor) ist ein spezieller FET, der als Biosensor fungiert, indem er ein aus einzelsträngigen DNA-Molekülen bestehendes Gate verwendet, um passende DNA-Stränge zu erkennen.
  • finFET, einschließlich GAAFET oder Gate-all-around-FET, die in hochdichten Prozessorchips verwendet werden
• Der JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor) verwendet einen in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergang, um das Gate vom Körper zu trennen.
  • Der statische Induktionstransistor (SIT) ist eine Art JFET mit einem kurzen Kanal.
• Der DEPFET ist ein FET, der in einem vollständig verarmten Substrat gebildet wird und gleichzeitig als Sensor, Verstärker und Speicherknoten fungiert. Er kann als Bildsensor (Photonensensor) verwendet werden.
• Der FREDFET (Fast-Reverse oder Fast-Recovery Epitaxial Diode FET) ist ein spezieller FET, der eine sehr schnelle Erholung (Abschaltung) der Body-Diode ermöglicht, was ihn für den Betrieb von induktiven Lasten wie Elektromotoren, insbesondere von bürstenlosen Gleichstrommotoren mittlerer Leistung, geeignet macht.
• Der HIGFET (Heterostruktur-Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) wird heute hauptsächlich in der Forschung eingesetzt.
• Der MODFET (modulationsdotierter Feldeffekttransistor) ist ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit, der eine Quantentopfstruktur verwendet, die durch abgestufte Dotierung des aktiven Bereichs gebildet wird.
• Der TFET (Tunnel-Feldeffekttransistor) basiert auf Band-zu-Band-Tunneling.
• Der TQFET (topologischer Quanten-Feldeffekttransistor) schaltet ein 2D-Material mit Hilfe eines angelegten elektrischen Feldes von einem dissipationsfreien topologischen Isolator ("Ein"-Zustand) in einen konventionellen Isolator ("Aus"-Zustand).
• Der HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor), auch HFET (Heterostruktur-FET) genannt, kann mit Hilfe der Bandlückentechnik in einem ternären Halbleiter wie AlGaAs hergestellt werden. Das vollständig verarmte Material mit breiter Bandlücke bildet die Isolierung zwischen Gate und Body.
• Der MESFET (Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ersetzt den p-n-Übergang des JFET durch eine Schottky-Barriere und wird in GaAs und anderen III-V-Halbleitermaterialien eingesetzt.
• Der NOMFET ist ein organischer Speicher-Feldeffekttransistor mit Nanopartikeln.
• Der GNRFET (Graphen-Nanoband-Feldeffekttransistor) verwendet ein Graphen-Nanoband für seinen Kanal.
• Der VeSFET (Vertical-Slit-Feldeffekttransistor) ist ein quadratischer FET ohne Sperrschicht mit einem schmalen Schlitz, der Source und Drain an gegenüberliegenden Ecken verbindet. In den anderen Ecken befinden sich zwei Gates, die den Strom durch den Spalt steuern.
• Der CNTFET (Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistor).
• Der OFET (organischer Feldeffekttransistor) verwendet einen organischen Halbleiter in seinem Kanal.
• Der QFET (Quanten-Feldeffekttransistor) nutzt die Vorteile des Quantentunnelns, um die Betriebsgeschwindigkeit des Transistors erheblich zu erhöhen, indem er den Bereich der Elektronenleitung des herkömmlichen Transistors eliminiert.
• Der SB-FET (Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistor) ist ein Feldeffekttransistor mit metallischen Source- und Drain-Kontaktelektroden, die Schottky-Barrieren sowohl an der Source-Kanal- als auch an der Drain-Kanal-Grenzfläche bilden.
• Der GFET ist ein hochempfindlicher Feldeffekttransistor auf Graphenbasis, der als Biosensor und chemischer Sensor eingesetzt wird. Aufgrund der zweidimensionalen Struktur von Graphen und seiner physikalischen Eigenschaften bieten GFETs eine höhere Empfindlichkeit und eine geringere Anzahl von "falsch-positiven" Ergebnissen bei Sensoranwendungen.
• Der Fe-FET verwendet ein Ferroelektrikum zwischen dem Gate, das es dem Transistor ermöglicht, seinen Zustand ohne Vorspannung beizubehalten - solche Bauelemente können als nichtflüchtige Speicher eingesetzt werden.
• VTFET oder Vertical-Transport Field-Effect Transistor, IBMs 2021 vorgenommene Modifikation des finFET, die eine höhere Dichte und einen geringeren Stromverbrauch ermöglicht. ⓘ

Schema eines n-Kanal-JFET ⓘ

Beim Sperrschicht- oder Junction-Feldeffekttransistor (JFET oder SFET) wird der Stromfluss durch den zwischen Drain und Source liegenden Stromkanal mithilfe einer Sperrschicht (vgl. p-n-Übergang, engl. junction) zwischen Gate und dem Kanal gesteuert. Das ist möglich, da die Ausdehnung der Sperrschicht und damit die Größe der Einschnürung des Stromkanals von der Gate-Spannung abhängig ist (siehe auch Raumladungszone). ⓘ

Vorteile

Feldeffekttransistoren haben einen hohen Gate-Drain-Stromwiderstand in der Größenordnung von 100 MΩ oder mehr, was eine weitgehende Isolierung zwischen Steuerung und Stromfluss ermöglicht. Da das Rauschen des Basisstroms mit der Formgebungszeit zunimmt, erzeugt ein FET in der Regel weniger Rauschen als ein bipolarer Sperrschichttransistor (BJT) und wird in rauschempfindlicher Elektronik wie Tunern und rauscharmen Verstärkern für UKW- und Satellitenempfänger eingesetzt. Er ist relativ unempfindlich gegen Strahlung. Er weist bei einem Drainstrom von Null keine Offsetspannung auf und ist ein hervorragender Signal-Chopper. Er hat in der Regel eine bessere thermische Stabilität als ein BJT. ⓘ

Da die FETs durch die Gate-Ladung gesteuert werden, wird nach dem Schließen oder Öffnen des Gates kein zusätzlicher Strom verbraucht, wie dies bei einem bipolaren Sperrschichttransistor oder bei nicht selbsthaltenden Relais in einigen Zuständen der Fall ist. Dies ermöglicht ein extrem stromsparendes Schalten, was wiederum eine stärkere Miniaturisierung von Schaltkreisen ermöglicht, da die erforderliche Wärmeableitung im Vergleich zu anderen Schaltertypen geringer ist. ⓘ

Nachteile

Ein Feldeffekttransistor hat im Vergleich zu einem Bipolartransistor ein relativ geringes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt. MOSFETs sind sehr anfällig für Überlastspannungen und erfordern daher eine besondere Handhabung bei der Installation. Die zerbrechliche Isolierschicht des MOSFETs zwischen Gate und Kanal macht ihn anfällig für elektrostatische Entladungen oder Änderungen der Schwellenspannung während der Handhabung. Dies ist in der Regel kein Problem, wenn der Baustein in eine ordnungsgemäß ausgelegte Schaltung eingebaut wurde. ⓘ

FETs haben oft einen sehr niedrigen "Ein"- und einen hohen "Aus"-Widerstand. Die Zwischenwiderstände sind jedoch beträchtlich, so dass FETs beim Schalten große Mengen an Energie verbrauchen können. Dies kann jedoch Transienten verursachen, die Streuinduktivitäten anregen und beträchtliche Spannungen erzeugen können, die in das Gate einkoppeln und unbeabsichtigte Schaltvorgänge verursachen können. FET-Schaltungen erfordern daher ein sehr sorgfältiges Layout und können einen Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Verlustleistung erfordern. Es gibt auch einen Kompromiss zwischen Nennspannung und Einschaltwiderstand, so dass Hochspannungs-FETs einen relativ hohen Einschaltwiderstand und damit Leitungsverluste haben. ⓘ

Versagensarten

Feldeffekttransistoren sind relativ robust, insbesondere wenn sie innerhalb der vom Hersteller festgelegten Temperatur- und elektrischen Grenzen betrieben werden (ordnungsgemäßes Derating). Moderne FET-Bauelemente können jedoch häufig eine Body-Diode enthalten. Wenn die Eigenschaften der Body-Diode nicht berücksichtigt werden, kann der FET ein langsames Body-Diode-Verhalten aufweisen, bei dem ein parasitärer Transistor eingeschaltet wird und einen hohen Strom von Drain zu Source fließen lässt, wenn der FET ausgeschaltet ist. ⓘ

Verwendet

Der am häufigsten verwendete FET ist der MOSFET. Die CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Prozesstechnologie ist die Grundlage für moderne digitale integrierte Schaltungen. Bei dieser Prozesstechnologie werden der p-Kanal-MOSFET (in der Regel im "Anreicherungsmodus") und der n-Kanal-MOSFET in Reihe geschaltet, so dass der eine eingeschaltet und der andere ausgeschaltet ist. ⓘ

Bei FETs können die Elektronen im linearen Betrieb in beide Richtungen durch den Kanal fließen. Die Bezeichnung Drain-Anschluss und Source-Anschluss ist etwas willkürlich, da die Bauelemente in der Regel (aber nicht immer) symmetrisch von Source zu Drain aufgebaut sind. Dadurch eignen sich FETs zum Umschalten analoger Signale zwischen Pfaden (Multiplexing). Mit diesem Konzept kann man z. B. ein Solid-State-Mischpult bauen. FETs werden häufig als Verstärker eingesetzt. Aufgrund seines großen Eingangswiderstands und seines geringen Ausgangswiderstands eignet er sich beispielsweise als Puffer in Common-Drain-Konfiguration (Source-Follower). ⓘ

IGBTs werden zum Schalten von Zündspulen in Verbrennungsmotoren verwendet, wo schnelles Schalten und die Fähigkeit zur Spannungssperrung wichtig sind. ⓘ

Source-Gate-Transistor

Source-Gate-Transistoren sind robuster gegenüber Fertigungs- und Umweltproblemen in großflächigen elektronischen Geräten wie Bildschirmen, arbeiten aber langsamer als FETs. ⓘ

Typen und Schaltzeichen

Grundschaltungen

Entsprechend wie bei bipolaren Transistoren mit ihren Grundschaltungen Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung gibt es bei FETs Grundschaltungen, bei denen jeweils einer der Anschlüsse signalmäßig auf Masse gelegt ist und die anderen beiden als Eingang bzw. als Ausgang fungieren. ⓘ

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  Common-Source-Schaltung (entspricht Emitterschaltung)

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  Common-Drain-Schaltung (entspricht Kollektorschaltung)

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  Common-Gate-Schaltung (entspricht Basisschaltung) ⓘ

Anwendungsgebiete

Der Einsatz der verschiedenen Bauformen der Feldeffekttransistoren ist vor allem abhängig von den Ansprüchen an Stabilität und Rauschverhalten. Grundsätzlich gibt es Feldeffekttransistoren für alle Einsatzgebiete, dabei werden jedoch die IGFETs eher in der Digitaltechnik eingesetzt, JFETs eher in der Hochfrequenztechnik. ⓘ

Leistungs-MOSFET sind Bipolartransistoren hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Verlusten insbesondere bei Spannungen bis ca. 950 V (Super-Mesh-V-Technologie) überlegen. Sie werden daher in Schaltnetzteilen und Schaltreglern eingesetzt. Aufgrund der damit möglichen hohen Schaltfrequenzen (bis ca. 1 MHz) lassen sich kleinere induktive Bauteile einsetzen. ⓘ

Des Weiteren sind sie in Form von so genannten „intelligenten“, das heißt mit integrierten Schutzschaltungen versehenen, Leistungsschaltern im Automotive-Bereich verbreitet. Darüber hinaus finden sie Anwendung als HF-Leistungsverstärker meist gefertigt in Bauformen mit speziellen Kennlinien und Gehäusen. Klasse-D-Audioverstärker arbeiten in den PWM-Schaltstufen mit MOSFETs. ⓘ