FET-Stromgleichung | Erklärung & Anwendung

Verständliche Erklärung der FET-Stromgleichung und ihres Einflusses auf den Betrieb von Feldeffekttransistoren in der Elektronik.

Einleitung zur FET-Stromgleichung

In der Welt der Elektronik ist der Feldeffekttransistor, kurz FET, ein unverzichtbarer Baustein. FETs werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Verstärkern über Schalter bis hin zu analogen Schaltungen. Einer der Gründe für ihre Beliebtheit ist ihre hohe Eingangsimpedanz. Die grundlegende Arbeitsweise eines FET kann durch seine Stromgleichung beschrieben werden, die erklärt, wie der Drainstrom (I_D) von verschiedenen faktoren beeinflusst wird.

Die Grundlagen des Feldeffekttransistors

Ein FET steuert den Stromfluss in einem Halbleiterkanal mit einem elektrischen Feld. Dieser Kanal befindet sich zwischen zwei Elektroden: dem Source und dem Drain. Die Steuerelektrode wird Gate genannt. Der FET wird hauptsächlich durch das Gate-Potential gesteuert, welches keinen tatsächlichen Stromfluss zum Gate benötigt, im Gegensatz zu bipolaren Transistoren, die durch den Stromfluss gesteuert werden.

Die FET-Stromgleichung

Die Grundgleichung, die den Drainstrom I_D beschreibt, ist von der Art des FETs abhängig, dennoch gibt es eine allgemeine Form, die wie folgt aussieht:

\[I_D = k \cdot (V_{GS} – V_{th})^2 (1 + \lambda V_{DS})\]

Wo:

• k ist eine Konstante, die von den Parametern des Transistors abhängt.
• VGS steht für die Spannung zwischen Gate und Source.
• Vth ist die Schwellenspannung, bei der der Transistor beginnt, zu leiten.
• \lambda ist der Kanallängenmodulationsparameter.
• VDS ist die Spannung zwischen Drain und Source.

Wenn VGS < Vth, dann ist ID = 0, also fließt kein Strom, weil der FET ausgeschaltet ist. Wenn VGS > Vth, dann ist der FET eingeschaltet und der Strom kann fließen.

Regionen der FET-Operation

Der Betrieb eines FETs wird in drei Hauptregionen eingeteilt:

• Abschnürbereich oder Sättigungsbereich: Wenn VDS groß genug ist, dass der Kanal am drain Ende abschnürt, arbeitet der FET im Abschnürbereich. Dieser Bereich wird häufig für analoge Verstärker genutzt, weil der Strom wenig sensitiv gegenüber VDS ist.
• Triaodenbereich oder Ohmscher Bereich: Hier ist VDS klein genug, dass der Kanal über seine gesamte Länge leitfähig bleibt. Der FET verhält sich ähnlich wie ein variabler Widerstand.
• Aus-Bereich: Wenn VGS unterhalb der Schwellenspannung liegt, fließt kein Strom, und der FET ist ausgeschaltet.

Anwendung der FET-Stromgleichung

Die FET-Stromgleichung ist entscheidend für das Verständnis der Arbeitsweise von FETs und für das Design von FET-basierten Schaltkreisen. Sie ist nützlich für:

• Design von Verstärkerschaltungen: Da die Sättigungsregion einen stabilen Arbeitspunkt für Verstärkungen bietet, hilft die FET-Stromgleichung bei der Berechnung der erforderlichen Gate-Spannung und dem Drainstrom.
• Entwicklung von Schaltkreisen: Im Aus-Bereich kann ein FET als Schalter verwendet werden, und diese Gleichung hilft zu bestimmen, bei welchen Spannungen der FET eingeschaltet oder ausgeschaltet ist.
• Simulation und Modellierung: Elektroniksimulationstools verwenden die FET-Stromgleichung, um das Verhalten von Schaltkreisen vor der physischen Erstellung zu modellieren.

Zusammenfassend ist die FET-Stromgleichung ein mächtiges Werkzeug in der Elektronik und unerlässlich für das Verständnis und die Nutzung von FETs in verschiedenen technologischen Anwendungen.