Veldeffecttransistor
Een veldeffecttransistor , meestal aangeduid als FET (field-effect-transitor), is een unipolaire transistor met gewoonlijk drie aansluitingen: de source (S), de drain (D) en de gate (G). Bij een MOSFET is er nog een vierde aansluiting, het substraat (B van bulk), die meestal niet naar buiten uitgevoerd is, maar intern verbonden met de source. Speciale typen zoals de "dual gate" MOSFET met twee gates, hebben extra aansluitingen. Een veldeffecttransistor bestaat uit een geleidingskanaal tussen de aansluitingen source (S) en drain (D), waarvan de geleiding beïnvloed kan worden door het elektrische veld van de spanning op de gate (G). De transistor heet unipolair omdat slechts één soort ladingsdrager (gaten of elektronen) deelneemt aan de stroom tussen source en drain. De spanning op de gate zorgt voor het breder worden of verdwijnen van het geleidingskanaal tussen source en drain waarmee de stroom van source naar drain te sturen is. In tegenstelling tot een 'gewone' bipolaire transistor loopt bij een FET geen stroom van betekenis door de gate zoals door de basis van een transistor.
Het principe van de veldeffecttransistor was al in de jaren 20 van de 20e eeuw bekend, maar pas nadat de halfgeleidertechnologie voldoende ontwikkeld was, konden FETs seriematig gefabriceerd worden.
Veldeffecttransistoren komen onder meer voor in de volgende uitvoeringen:
- sperlaag-veldeffecttransistor (J-FET: Junction FET)
- metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor FET)
- Schottky-veldeffecttransistor (MESFET)
- High Electron Mobility transistor (HEMT)
- Ion-Sensitive veldeffecttransistor (ISFET)
- organische veldeffecttransistor (OFET)
Van alle uitvoeringen kan het geleidingskanaal bestaan uit n-gedoteerd (n-channel type) of uit p-gedoteerd (p-channel type) halfgeleidermateriaal.
De twee meest gebruikte varianten van de FET zijn: de J-FET en de MOS-FET.
- J-FET
- Bij het n-channel type bevindt het geleidingskanaal zich als een n-gedoteerde zone in het p-gedoteerde materiaal van de gate. Het geleidingskanaal is dus van de gate gescheiden door een pn-overgang (junction). De pn-overgang tussen gate en kanaal is in normaal bedrijf in sperrichting geschakeld, zodat de stroom door de gate in de grootte-orde van de lekstroom van een gesperde diode is. In het p-channel type is op de gebruikelijke wijze alles tegengesteld uitgevoerd.
- MOS-FET
- Bij het n-channel type bevindt het geleidingskanaal zich aan de oppervlakte van het p-gedoteerde substraat, vlak onder de SiO2 isolatielaag, en wordt gevormd onder invloed van de spanning op de gate tussen de als n-gedoteerde zones uitgevoerde source en drain. De gate is als elektrode op deze isolatielaag aangebracht en is dus van het geleidingskanaal geïsoleerd. De enige stroom die van/naar de gate loopt, wordt veroorzaakt door het capacitieve effect van de gate, en is in de praktijk nagenoeg te verwaarlozen. Het substraat is van het kanaal gescheiden door een pn-overgang en is daarom voor zien van een aansluiting (B: bulk) die meestal intern met de source verbonden is.
Sommige FET's hebben qua gebruik geen verschil tussen de source en de drain, maar door geavanceerde constructietechnieken, bijvoorbeeld het variëren van de dikte van de p- of n-laag, is het mogelijk om een FET specifiek gevoelig te maken voor het spanningsverschil tussen gate en source, terwijl de invloed van het spanningsverschil tussen gate en drain te verwaarlozen is.
Een nadeel van de FET is de gevoeligheid voor elektrostatische lading. Doordat de gate hoogohmig is, kan een eventuele statische lading niet wegvloeien en zo een hoge spanning opbouwen op de gate. Deze hoge spanning kan de FET onherstelbaar beschadigen.
Waar een 'gewone' bipolaire transistor last heeft van het 'diode-effect', waarbij de stroom slechts in één richting kan lopen en daarbij een spanningsval van meestal 0,7 volt heeft, gedraagt een FET zich als een weerstand doordat er geen n-p of p-n-overgang aanwezig is, maar slechts een enkele p- of n-laag.
Al deze FET's hebben karakteristieke eigenschappen. In een schakeling kunnen ze niet zonder meer verwisseld worden. Zo zijn J-FETS zowel gevoelig voor de gate-drainspanning als de gate-sourcespanning.
Verder bestaat nog de GaAs-FET een FET op basis van galliumarsenide in plaats van silicium.
[bewerk] Gebruik
Moderne CMOS-IC-technologie maakt bijna altijd gebruik van FET's. Ook in versterkerschakelingen, met name in op-amps worden steeds vaker FET's gebruikt.
Wanneer een FET gebruikt wordt, is vaak sprake van een hex-FET. Dit is een FET waarin - in het oorspronkelijke ontwerp - zes FET's gecombineerd zijn. Deze schakeling maakt het mogelijk dat de FET zich nagenoeg als een 'ideale' FET gedraagt. In volledige geleiding bedraagt de weerstand tussen de source en de drain van een moderne hexfet vaak slechts enkele honderste ohm, waardoor de FET grote stromen kan schakelen zonder noemenswaardig warm te worden. FET's worden dan ook wel vaak gebruikt als elektronisch relais.
