Depletion-Type IGFETs verstehen: Design, Betrieb und SPICE-Analyse

Isolierte-Gate-Feldeffekttransistoren (IGFETs) sind unipolare Bauelemente, ähnlich wie JFETs: Der gesteuerte Strom fließt vollständig innerhalb eines einzigen Halbleitertyps, sodass kein PN-Übergang vom Strom durchquert wird.

Im Bauelementinneren existiert ein PN-Übergang ausschließlich, um den nicht-leitenden Sperrbereich zu bilden, der den Strom durch den Kanal begrenzt. Der Übergang selbst führt nie Strom.

Schaltzeichen und physikalisches Diagramm

Unten ist das Schaltbild eines Depletion-Type N-Kanal-IGFET:

Beachten Sie, wie Source- und Drain-Anschlüsse an den Enden des N-Kanals anliegen, während das Gate mit einer Metallplatte verbunden ist, die durch eine dünne Isolierschicht – üblicherweise Siliziumdioxid, der Hauptbestandteil von Sand – getrennt ist. Diese Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Konstruktion ist der Grund, warum viele IGFETs auch MOSFETs genannt werden, obwohl „IGFET“ die gesamte Klasse der isolierten-Gate-Bauelemente besser beschreibt.

Moderne IGFETs verbinden den Substrat intern meist mit der Source, was ein Drei-Anschluss-Bauelement ergibt. Das untenstehende Schaltbild spiegelt diese gängige Konfiguration wider:

Da Substrat und Source elektrisch gemeinsam sind, kann keine Spannung über den internen PN-Übergang angelegt werden. Folglich kann der Sperrbereich nicht wie bei einem JFET erweitert oder zusammengezogen werden; stattdessen basiert die IGFET-Funktion auf der Verschiebung dieses Sperrbereichs relativ zum Gate.

N-Kanal IGFET

Das Anlegen einer positiven Spannung am Gate relativ zur Source stößt den Sperrbereich ab, erweitert den N-Typ-Kanal und erhöht die Leitfähigkeit:

Das Umkehren der Polarität zieht den Sperrbereich an, verengt den Kanal und verringert die Leitfähigkeit:

Das isolierte Gate erlaubt jede Polarität der Steuerspannung, ohne Risiko einer Vorwärtsspannung des internen Übergangs – ein Problem, das JFETs limitiert. Obwohl als „Depletion-Type“ bezeichnet, kann das Bauelement je nach Gate-Source-Spannungspolarität entweder depleted (Kanal verengt) oder enhanced (Kanal erweitert) werden.

Um den Effekt vorherzusagen, passen Sie die Dotierung des Kanals (N- oder P-Typ) mit dem Vorzeichen der Source-Spannung an. Für ein N-Kanal-Bauelement akkumuliert ein positives Gate und negatives Source Elektronen auf der Kanalseite des Dielektrikums und erweitert den Kanal. Werden die Polaritäten vertauscht, werden Elektronen aus dem Kanal entfernt, was ihn depletiert und die Leitfähigkeit senkt.

P-Kanal IGFET

P-Kanal-Bauelemente folgen demselben Prinzip, aber die erforderliche Polarität ist umgekehrt. Die folgenden Bilder illustrieren die Biasing:

Bei null Gate-Source-Spannung leitet ein Depletion-Type-IGFET zwischen Source und Drain, aber nicht mit voller Kapazität – im Gegensatz zu Bipolartransistoren, die normalerweise aus sind, oder JFETs, die normalerweise ein sind. Es verhält sich effektiv als halb-ein-Bauelement.

Da das Gate isoliert ist, verträgt der IGFET Gate-Source-Spannungen jeder Polarität. Der PN-Übergang ist geschützt, und die direkte Source-Substrat-Verbindung verhindert jede Spannungsdifferenz über den Übergang.

Bemerkenswert ist, dass das Leitverhalten eines D-Type-IGFET dem früherer Röhren ähnelt, wo die Gitterspannung den Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode entweder unterdrücken oder verstärken konnte.

SPICE-Simulation eines D-Type-IGFET

Die folgenden SPICE-Läufe illustrieren die stromregelnde Natur eines Depletion-Type-IGFET.

Zuerst mit Gate kurzgeschlossen an Source (0 V) und Versorgung von 0 V auf 50 V gesweept, pendelt sich der Drainstrom auf geregelte 10 µA über den gesamten Bereich ein:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Das Anlegen einer negativen Gate-Spannung von –0,5 V bei erneutem Sweep der Versorgung reduziert den geregelten Drainstrom auf 2,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Umgekehrt erhöht eine positive Gate-Spannung von +0,5 V den Strom auf 22,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Diese Ergebnisse bestätigen die nichtlineare Beziehung zwischen Gate-Source-Spannung und Drainstrom, analog zu der in JFETs beobachteten. Eine depletierende Spannung von etwa –1 V kann den Kanal abdrücken und den Drainstrom nahezu auf null reduzieren. Die genaue Pinch-Off-Spannung variiert mit den Spezifikationen jedes Bauelements.

Kennlinie des IGFET

Das Plotten mehrerer Kennlinien für verschiedene Gate-Spannungen ergibt ein Muster, das der JFET-Familie ähnelt:

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Insulated Gate Field-Effect Transistors Worksheet