Rob's web

Home - Techniek - Electronica - Electronicabladen - Elektuur / Elektor - FET's

FET's

We hebben reeds eerder gemeld, dat de veldeffekttransistor (verder FET genoemd) reeds in 1928 door Lilienfeld is genoemd en dat, als er toen op zou zijn doorgegaan, de buis nooit bestaan zou hebben. Natuurlijk klinkt dat wel fraai, maar, hoewel in 1948 Shockley reeds de weg weer voor de FET, moest de half geleidertechniek meer dan 15 jaar oud zijn om een beetje hanteerbare exemplaren in massa te vervaardigen. In 1928 en 1948 waren gewoon de technologische middelen niet beschikbaar. En zelfs nu nog niet want pas in 1968 verwachten de deskundigen het "nieuwe" onderdeel volledig onder de knie te hebben en voor een paar gulden te kunnen aanbieden. Dat men zo naarstig aan de FET werkt, terwijl we toch al zo gelukkig zijn met de gewone transistor, heeft zijn redenen.

De transistor heeft n.l. een lagere ingangs- dan uitgangs-impedantie (in emitterbasis), de FET heeft een zeer hoge ingangsimpedantie. De FET is in hoge mate ruisvrij en bovendien heeft de FET meer weerstand tegen doorbranden en tegen nadelige invloeden van nucleaire straling.

De karakteristieke eigenschappen van de FET lijken in wezen op die van de elektronenbuis. De elektronicus, die tien jaar geleden al zoveel moeite had met het omschakelen van de buis naar de transistor (sommige studenten die weinig of geen opleiding krijgen in de transistorpraktijk, hebben dit nog!), moeten nu weer binnen enkele jaren terugkeren tot de principes van de buistechniek.

De FET zal aanvankelijk niet elke transistor of buis vervangen, maar men had ook niet verwacht, dat de transistor over een zo breed gebied de buis zou gaan vervangen. Een grote toekomst is weggelegd voor deze halfgeleider, omdat vooral de MOSFET zich bij uitstek leent voor fabricage in integrated circuits.

Momenteel zijn er twee soorten FET's wat betreft de fabrikage, n.l. de JFET (junctionfet) en de MOSFET (metal-oxide-semiconductor-field-effecttransistor).

De JFET is opgebouwd uit een substraat (n-silicium), waarin twee tegenover elkaar liggende pgebieden zijn gediffundeerd.

Er is dus sprake van twee pn-verbindingen met een uitputtingszOne (depletiezOne) die dieper wordt naarmate er een grotere tegenwaartse spanning wordt aangelegd. Deze uitputtingszOne bevat daardoor minder ladingdragers en de spanning kan zo hoog worden opgevoerd, dat de twee zones elkaar raken en een bijna-isolator vormen tussen de source (S) en de drain (D).

Dit is in figuur 1 duidelijk gemaakt, waarin de twee p-gebiedjes als gates (poorten of G) worden aangeduid.

Fig. 1. De opbouw van een JFET (junction veldeffekttransistor), waarin de uitputtingszone (isolatiegebied) kan worden vergroot door verhoging van de gatespanning, zodat daarmee de weerstand tussen drain en source kan worden vergroot waarmee de drainstroom geregeld wordt.

De D-stroom Id is afhankelijk van de poortspanning Vgs; bij een poortspanning van nul volt (als in figuur 1c1) zullen bij toenemende spanning aan de Drain ook de uitputtingszOnes groter worden, zodat de weerstand tussen D en S toeneemt. Als de zones elkaar raken, zal ondanks toenemende spanning de stroom niet meer toenemen. Men noemt de spanning, die de zones elkaar doet raken, de "pinch-off", de afknijpspanning. Men zou het ook verzadiging kunnen noemen. De kurve in figuur 2 toont het punt Vp, waarop Ia gelijk blijft, als de spanning nog hoger wordt. Tot nu toe werd een nkanaal-fet besproken.

Fig. 2. De drainstroom heeft ook invloed op het depletiegebied, (uitputtingszone) en wel in die mate, dat met een gatespanning van nul (gate verbonden met source), en een opvoeren van de drainspanning bij een bepaald punt vp (pinch-off-spanning) de draaistroom niet meer toeneemt.

De complementaire fet is mogelijk door p-substraat als basismateriaal te nemen en er n-gebieden in te diffunderen.

Men spreekt dan van een p-kanaal junctionfet.

MOSFET

De MOSFET of ook wel IGfet (met geIsoleerde gate, isolated gate) genoemd, heeft een iets andere opbouw. Was er bij de JFET sprake van een poort met diode-eigenschappen, waardoor een isolatie van tientallen megohms mogelijk is, bij de MOSFET is de gate door een isolator van het substraat gescheiden. De beInvloeding van de stroomdoorgang tussen D en S geschiedt nu als het ware capacitief. De ingangsweerstand van de MOSFET is daardoor duizenden megohms.

De condensator die gevormd wordt door het aluminium (figuur 3) en het p-substraat zal, als er aan de ene zijde een positieve lading wordt aangebracht, aan de andere kant een lading willen kweken, die wordt onttrokken aan het substraat, zodat een dunne bovenlaag ervan een geleidingskanaal tussen D en S doet ontstaan. Naarmate de aangelegde spanning aan de G groter wordt zal de n-laag dikker worden en zal de stroom tussen D en S toenemen. Het stroomkanaal wordt dus groter gemaakt (engels: enhanced) en met methode wordt de enhancement (zeg: enhensmnt) type genoemd.

Fig. 3. De opbouw van een mosfet, in dit geval een nkanaal-type volgens enhancementsysteem.

Normaal zijn de twee n-gebiedjes van D en S uit een substraat met zeer lage weerstand vervaardigd. Het kanaal tussen deze gebieden kan men ook reeds bij de fabricage aanbrengen met een n-substraat met middelmatige weerstand. Er bestaat dan de omgekeerde toestand, n.l. dat er een geleidingskanaal tussen D en S aanwezig is, dat kan worden gesloten door een negatieve spanning aan G. Dan ontstaat een soort FET, die een soort uitputtingszOne heeft, gelijk aan die van de JFET in figuur 1. Deze depletie-MOSFET heeft daardoor tevens de gekombineerde eigenschappen van enhancement en depletie met een behoorlijke geleiding bij een poortspanning van nul volt, maar minder geleiding bij een negatieve en meer bij een positieve poortspanning.

Als hierop een spanning wordt aangesloten zal een dunne bovenlaag van het p-substraat een n-karakter aannemen en geleidend worden. Naarmate de gatespanning hoger wordt zal dit geleidende kanaal dikker en meer geleidend worden.

Fig. 4. De vorming en de uitdieping (enhancement) van het kanaal, dat de verbinding tussen drain en source vormt, vindt plaats door de capacitieve inwerking van de aluminiumlaag.

Fig. 5. Het geleidende kanaal kan er ook bij de fabrikage door diffusie in gebracht worden, zodat de MOSFET geleidt bij een Vgs: 0 Volt.

Fig. 6. Door een negatieve spanning aan de gate zal het kanaal gesloten kunnen worden en bij een positieve spanning vender geopend. In Principe ontstaat dan een MOSFET van het depletietype uit figuur 1.

Als men de fabricageverschillen tussen JFET en MOSFET even vergeet en de FET van de peaktische kant beziet, dan zijn er drie soorten fets, n.l. de genormaliseerde typen A, B en C uit figuur 7. Type A heeft alleen een uitputtingsgebied (depletie zone). Type B heeft al een gemiddelde drainstroom bij een gatespanning van nul volt.

Fig. 7. Geleidingskarakteristieken van de drie verschillende soorten FET's en hun (V gs/Ids) karakteristieken.

Type C heeft een zeer lage drainstroom bij een gatespanning van nul volt.

Het is duidelijk dat er wat de fabricage betreft zeer veel varieteiten mogelijk zijn en reeds bestaan. De karakteristieken voor Id/Vds van de drie typen zijn van drie bestaande Motorola-fets.

Deze hoofdverdeling in drie soorten kan nog worden aangevuld met een onderverdeling in JFET's en MOSFET's, met resp. hoge en zeer lage ingangsweerstand.

Een tweede onderverdeling is die in p- en n-kanaal-fets, waarin dus door respektievelijke keuze van p- en n- basismateriaal complementaire fets kunnen worden vervaardigd.

De eerste commerciele toepassing van MOSFET integrated circuits in een rekenmachine van Victor Cornptometer, met 250 onderdelen op een plakje. Er zijn 30 plakjes in toegepast, vervaardigd, door Micro-Electronics, Santa Clara, California. He t rekenapparaat kost 1825 dollar.

Er kunnen daarnaast fets met vier aansluitingen worden aangeboden, meestal met een tweede poort voor dubbele sturing (b.v. menging van signalen) of een aansluiting van het substraat naar buiten voor hetzelfde Joel. Deze tetrode-fets komen zelfs veel voor. In geval het substraat naar buiten is uitgevoerd is dit meestal met het huis verbonden.

In ons januarinummer hebben wij reeds de gevoeligheid voor elektrostatische ladingen genoemd bij mosfets. In vakkringen heette het zelfs in het begin dat "rotding, dat al kapot is als je het beetpakt". Om dit tekort tegen to gaan zijn verschillende methoden toegepast; de MEM511A van General Instruments heeft bijvoorbeeld een ingebouwde gate-diode die de fet beschermt tegen elektrostatische vernieling. Fets zijn er nog niet voor de zeer hoge frekwenties maar het type TIXM 301 van Texas Instruments (zelfs nog een experimenteel type), heeft een hoge geleidingsfaktor voor 300 MHz.

In het algemeen kunnen thans van produktietypen de volgende maximale parameters worden verwacht (niet in een type verenigd!):

Ids	0.5A in enhancementtypen 0.02A in depletietypen
Vbrg	100 V max.
Uitgangsimpedantie	50 ohm (schakelen) 5k ohm (versterker)
Max. frekwentie	1-2 MHz (schakelen) 400 MHz (versterken)
Transconductie	100.000 vmho's
Versterkingsfaktor	1000
Vermogen	9 watt

De powerfet van Crystalonics van binnen.

De 2N3823 heeft naam gemaakt als eerste fet roof-500 MHz. De fabrikant is Texas Instruments.

Complementair MOSFET-paar op een plakje van Motorola. De fet neemt alleen energie op als een schakelfunktie moet worden vervuld.