Welche verschiedenen Arten von FETs gibt es?

Feldeffekttransistoren (FETs) sind heutzutage die Arbeitstiere der digitalen Logik, aber sie finden auch außerhalb digitaler integrierter Schaltkreise viele Anwendungen, von Motortreibern bis hin zu Spannungsreglern und speziellen Verstärkern können verschiedene Arten von FETs verwendet werden, und es gibt einige nützliche Vorteile, die diskrete FETs im Vergleich zu ihren bipolaren Transistor (BJT)-Verwandten attraktiver machen.

Obwohl fortgeschrittene Komponenten und Anwendungen kontinuierlich darauf abzielen, die FET-Architektur grundlegend zu modifizieren und zu optimieren, sind diskrete BJTs und FETs hier, um zu bleiben. Jeder der verschiedenen FET-Typen hat seinen Platz in unterschiedlichen Systemen, und Designer können die genau passenden FETs mit dem besten Satz an Lieferkettenwerkzeugen finden. Wenn Sie unsicher sind, welchen Typ von FET Sie verwenden sollten, lesen Sie unseren Leitfaden, um mehr über die verschiedenen FETs und die wichtigsten Spezifikationen zu erfahren.

Arten von FETs und ihre Anwendungen

Feldeffekttransistoren, oder einfach FETs, bilden die Grundlage moderner digitaler integrierter Schaltkreise. Genau wie frühere BJTs sind FETs dreipolige Schalter (vier, wenn man den Body-Anschluss bei einem MOSFET einbezieht), bei denen eine Spannung am Gate angelegt wird, um den Stromfluss zwischen Source und Drain zu steuern. Sobald die Spannung am Gate-Bereich angelegt wird, wechselt der Kanalwiderstand seinen Zustand als Funktion der Eingangsspannung. Dies sind die Grundlagen der verschiedenen FET-Typen.

FETs werden in drei verschiedene Typen unterteilt: isolierte Gate-FETs (besser bekannt als MOSFETs), Junction-FETs (JFETs) und Metall-Halbleiter-FETs (MESFET). Das folgende Flussdiagramm fasst diese drei Arten von FETs und ihre Untertypen kurz zusammen. Unter den verschiedenen Typen von MOSFETs gibt die Wahl zwischen Anreicherungs- und Verarmungstyp-FETs den Designern eine gewisse Flexibilität, wie sie das Schalten in ihren Systemen implementieren (z.B. in Spannungsreglern).

Bei so vielen verschiedenen FET-Typen zur Auswahl, welcher ist der beste und wie schneiden sie im Vergleich zu BJTs ab? Lassen Sie uns etwas tiefer graben, um zu sehen, welche Arten von FETs für verschiedene Anwendungen wichtig sind.

MESFET-Anwendungen

MESFETs werden oft als Treiber oder Schalter in HF-Anwendungen verwendet, die eine hohe Leistungsausgabe erfordern. Kommerzielle MESFET-Komponenten sind in einer Reihe von Gehäusen erhältlich; SO/SOIC/SOP verpackte Komponenten sind mit Bandbreiten von bis zu ~8 GHz verfügbar, während hohe Frequenzen von bis zu ~30 GHz in QFN-Gehäusen erreicht werden können. Hochfrequenz-MESFETs werden normalerweise aus SiGe (für mäßige Leistungsausgabe) oder GaAs (für hohe Leistungsausgabe) hergestellt, und Sie finden diese Strukturen integriert in Hochfrequenz-SoCs.

MOSFET-Anwendungen

Unter den verschiedenen Arten von FETs genießen MOSFETs wahrscheinlich das breiteste Spektrum an praktischen Anwendungen. Diese Komponenten finden ihren Platz in vielen Leistungselektronikanwendungen, da sie in der Lage sind, Schaltleistungen im kW-Bereich zu bewältigen. Und natürlich sollte jeder, der mit modernen CMOS-Logikschaltungen vertraut ist, wissen, dass MOSFETs die Grundlage für CMOS-Geräte bilden.

Wenn Sie einen diskreten MOSFET für eine Schaltanwendung auswählen müssen, dann ist die Art und Weise, wie das Gerät geschaltet wird, ziemlich wichtig, da Sie die richtige Spannungspolarität auswählen müssen, die an die Gate-Region angelegt wird. Enhancement-Typ NMOS wird oft als Schaltelement in Anwendungen wie Leistungsregelung und -konditionierung bei hoher Spannung/Strom verwendet; ich finde, es macht Erdung und Layout einfacher, da man nur positive Spannungen um eine Platine herum benötigt.

JFET-Anwendungen

JFETs gibt es auch in den n- und p-Kanal-Varianten, wobei n-Kanal normalerweise verwendet wird, da Elektronen eine größere Mobilität als Löcher haben. JFETs haben auch einen Durchbruchbereich, wenn die Drain-Source-Spannung ausreichend hoch ist (analog zum pn-Diodendurchbruch). Im Vergleich zu MOSFETs haben JEFTs die folgenden Eigenschaften:

• Nur Verarmungsmodus

• Niedrigere Frequenzdrift

• Niedrigere Eingangsimpedanz

• Hoher Drain-Widerstand führt zu flacheren Übertragungskurven

• Höhere Eingangskapazität

Ihre niedrigere Frequenzdrift macht sie wünschenswerter in Oszillatoren oder Präzisions-Timing-Schaltungen. Die höhere Eingangskapazität führt zu etwas längeren Einschaltzeiten, wenn sie als Schalter verwendet werden. Obwohl sie für Oszillatoren nützlich sein könnten, tendieren sie dazu, in Verstärkern eine relativ niedrige Verstärkungs-Bandbreite-Produkt im Vergleich zu MOSFETs und viel niedriger als vergleichbare MESFETs zu haben.

HEMT-Anwendungen

High Electron Mobility Transistors (HEMTs) beziehen sich auf etwas, das näher an den in FETs verwendeten Materialien liegt, als auf eine völlig andere Struktur oder Art von Schaltung. HEMTs können in HF-Geräten verwendet werden, die Leistung bei hohen Frequenzen liefern müssen oder die mit schnellen Flankenraten schalten. Die typischen Materialien, die in diesen Geräten verwendet werden, sind GaAs und GaN, die beide in kommerziell erhältlichen Komponenten verwendet werden. Diese Geräte sind darauf ausgelegt, eine hohe Leistungsabgabe bei Frequenzen bis in den mmWellen-Bereich zu liefern. Andere III-V-Materialien wie InP wurden für die Verwendung in HEMTs erforscht. Diese Materialien sind jedoch noch nicht in standardisierten Komponentenprozessen in großem Maßstab herstellbar.

Da HEMT-Anwendungen mit MESFETs überlappen, ist es fair zu fragen, was der Unterschied zwischen diesen Materialien ist. Der Unterschied zeigt sich in der epitaktischen Schicht des Transistors. HEMTs sind Heterostruktur-Geräte, die kompositionell unterschiedliche gestapelte Schichten von Material mit höherer Elektronenmobilität als das Bulk-Material im Gerät verwenden. In GaAs HEMTs ist das übliche Material, das in der epitaktischen Schicht verwendet wird, nichtstöchiometrisches AlGaAs. Wir sehen diese gleichen Strukturen oder Materialien nicht in MESFETs.

Ein ähnlicher Ansatz mit einer nichtstöchiometrischen Schicht wird bei GaN HEMTs verwendet, wo die epitaktische Schicht AlGaN ist. Eine Beispielstruktur eines HEMTs auf einem SiC-Substrat wird unten gezeigt. In dieser Struktur kann die AlGaN-Schicht eine dotierte Mehrschichtstruktur sein, und der Leitungskanal wird in diesem Teil des Bauelements gebildet.

Die hohe Beweglichkeit der Elektronen im leitenden Kanal ermöglicht eine wesentlich effizientere Leistungsübertragung bei hohen GHz-Frequenzen. Diese Systeme bieten eine höhere Leistungsfähigkeit, höhere Frequenzen und eine bessere Wärmeableitung (insbesondere mit SiC) im Vergleich zu skalierten Si MOSFETs, die in mmWave-Bändern arbeiten. Aus diesen Gründen wurden GaN HEMTs auch in der Leistungselektronik als hoch thermisch leitfähiger Ersatz für Si MOSFETs eingesetzt.

Wichtige Spezifikationen für FETs

So gerne wir auch jede Spezifikation, die auf einem Datenblatt zu finden ist, auflisten würden, nicht alle Spezifikationen sind für jede Anwendung relevant. Es gibt jedoch einige, die für fast jede Anwendung universell sind:

• Durchlasswiderstand: Dies ist eine der wichtigsten Spezifikationen, da sie die Effizienz eines FETs bei der Leistungsübertragung und beim Schalten bestimmt.

• Leckstrom: Selbst im ausgeschalteten Zustand fließt eine geringe Menge Strom zwischen Source und Drain, was zu einem gewissen Leistungsverlust im AUS-Zustand führt.

• Terminalkapazitäten: Diese Werte für Kapazitäten begrenzen die Schaltzeit im Bauelement. Dies ist normalerweise nicht wichtig, es sei denn, Sie entwerfen ein hochfrequentes analoges Produkt.

• Absolute Maximaltemperatur: FETs werden ausfallen, wenn die Kanaltemperatur ihren maximal bewerteten Wert erreicht. Hier gibt es normalerweise einen kleinen Sicherheitsfaktor, aber diese Komponenten müssen unter Berücksichtigung der Umgebung ausgewählt werden, in der sie eingesetzt werden.

• Spannungs-/Strombewertung: Dieses Wertepaar ist für eine bestimmte Antriebsmethode (DC, gepulst oder harmonisch) spezifiziert und bestimmt den sicheren Betriebsbereich eines FET. Sobald diese Spezifikationen für einen bestimmten FET überschritten werden, könnte das Gerät einen Durchbruch erleiden und wird ausfallen.

Der letzte Punkt ist wichtig, da er sich auf den sicheren Betriebsbereich eines FET bezieht. Alle FETs haben eine Kombination aus Source-zu-Drain-Spannung (V(DS)) und Drainstrom (I(D)), innerhalb derer ein FET betrieben werden kann, ohne auszufallen. Diese Kombination aus Spannungen, Strömen und Antriebsmethoden bildet den sicheren Betriebsbereich für einen MOSFET, der auf einem Graphen dargestellt werden kann.

Ein Beispiel für den sicheren Betriebsbereich eines MOSFETs (FDD7N25LZTM von ON Semiconductor) wird unten gezeigt. In diesem Diagramm wird das DC-Antrieb mit dem AC-Antrieb unter verschiedenen Bedingungen (in diesem Fall gepulster Antrieb) verglichen. Für den DC-Antrieb wird die Grenze des sicheren Betriebsbereichs näher am Ursprung liegen im Vergleich zum Antrieb mit kürzeren Pulsen. Der Grund, warum der sichere Betriebsbereich bei kürzerer Pulsdauer erweitert wird, liegt daran, dass der durchschnittliche Strom niedriger sein wird, unter der Annahme derselben Pulsrepetitionsfrequenz.

Insgesamt gibt es drei primäre Faktoren, die den sicheren Betriebsbereich eines FET bestimmen:

• Stationäre Temperatur des Übergangs

• Durchlasswiderstand im EIN-Zustand

• Ansteuermethode (DC, AC usw.)

Im Allgemeinen wird jede AC-Ansteuerung, die dem durchschnittlichen Strom eines DC-Treibers entspricht, einen ähnlichen sicheren Betriebsbereich haben. Wenn der durchschnittliche Strom bei AC-Ansteuerung abnimmt, wird sich der sichere Betriebsbereich erweitern. Dies kann als einfache Metrik verwendet werden, um einen MOSFET für den Einsatz in Stromversorgungsanwendungen auszuwählen: Vergleichen Sie einfach den durchschnittlichen Strom unter AC-Ansteuerung mit dem DC-Treiberstrom unter ähnlichen Betriebsparametern (V(DS) und I(D)), um zu bestimmen, ob der MOSFET unter AC-Ansteuerung zuverlässig sein wird.

Der andere Faktor, der schwieriger zu adressieren ist, ist die Temperatur des MOSFET, speziell die Übergangstemperatur. Wenn die Übergangstemperatur zu hoch ist, besteht die Gefahr, dass der MOSFET ausfällt. Für einen genauen Vergleich mit dem sicheren Betriebsbereich ist es notwendig, den Leistungsverlust im EIN-Zustand zu bestimmen und den thermischen Widerstand der Komponente zu verwenden, um die Gleichgewichtstemperatur vorherzusagen. Im Allgemeinen führt eine höhere Übergangstemperatur zu kleineren sicheren Betriebsbereichen.

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