MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

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MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon Rana Sapiens am Mittwoch 15. April 2009, 15:24

Hi,

ich habe eine Grundlagenfrage zum MOSFET. Sowohl im ET-LK als auch in meiner Freizeit habe ich mich bereits mit Bipolartransistoren beschäftigt (hauptsächlich NPN) und wollte mich nun auch mit MOSFETs befassen, da diese ja bekanntermaßen viele Vorteile gegenüber den Bipolartransistoren haben.

Allerdings habe ich mir dann eine Frage gestellt, zu der ich bisher auf keiner Seite eine Antwort finden konnte (vllt. habe ich auch nur an falscher Stelle gesucht).

npnvsmosfet.gif

[Klicken um Bild in voller Größe darzustellen]

Links habe ich die Beziehungen der Spannungen am NPN-Transistor eingezeichnet, wobei ich Uce weggelassen habe.
Aber wie sieht das jetzt beim MOSFET aus?
Gibt es da eine ähnliche Beziehung (zwischen Ux und U1, sowie Uy und U2) oder kann man das aufgrund der Isolationsschicht im MOSFET als getrennte Schaltkreise betrachten (getrennt ist vllt. das falsche Wort, die wären hier ja parallel geschaltet)?

Falls jemand nen Link zu einer Seite hat, die das gut erklärt, wäre das natürlich total geil^^

Mfg, Rana Sapiens
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Rana Sapiens
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon anders am Mittwoch 15. April 2009, 21:08

Gibt es da eine ähnliche Beziehung (zwischen Ux und U1, sowie Uy und U2)
Ja, aber da der FET ein spannungsgesteuertes Bauteil ist, sind die Zusammenhänge doch etwas anders.

Zu erst einmal: Was du da gezeichnet hast, ist ein selbstsperrender (Anreicherungs bzw. Enhancement) N-Kanal-MOSFET.

Es gibt auch P-Kanal Typen, bei denen ist der Pfeil, der die Substratdiode repräsentiert, umgekehrt zu zeichen und natürlich wechseln da auch alle Spannungen und Ströme das Vorzeichen.

Diese beiden entsprechen sicherlich der Mehrzahl der heute verwendeten Typen.
Vorwiegend werden sie als Leistungsschalter in Netzteilen etc. verwendet, aber auch allerkleinste Exemplare werden millionenfach in ICs als Schalter für logische Verknüpfungen verwendet.
Linearer Betrieb als Verstärker ist möglich, aber diese Anwendung spielt eine weitaus geringere Rolle.

Sowohl von den N- wie von den P-Kanal-Typen gibt es außerdem noch selbstleitende (Verarmungs bzw. Depletion) Versionen, bei denen im Schaltbild der Kanal ohne Unterbrechung gezeichnet wird.

Bei den Sperrschicht-FETs (Junction-FETs oder einfach J-FETs), dient anstelle der Oxidschicht eine Diodensperrschicht als Isolator und deshalb werden sie nur als selbstleitendende Versionen gefertigt. Bei diesen Typen wird das Gate als Diodenpfeil (in der einen oder anderen Richtung)
gezeichnet, die rückwärtige Substratdiode gibt es hier nicht.

In deiner Zeichnung enspricht der U_CB die U_DG (Drain to Gate), die aber praktisch bedeutungslos ist.
Statt dessen bezieht man sich bei den Spannungsangaben von FETs immer auf die Source-Elektrode. Die relevanten Spannungen sind also U_DS (enspricht etwa der U_CE) und U_GS (enspricht etwa der U_BE).
Die Kennlinien des gezeichneten Transistors haben einige Ähnlichkeit mit einem npn-Typ.
Bei U_GS=0 fliest bei positiven U_DS (d.h. im Normalfall) praktisch kein Strom, während bei negativen U_DS die parasitäre Substratdiode zu leiten beginnt.

Wenn man ans Gate eine positive Spannung anlegt, die einen technologisch einstellbaren Schwellwert übersteigt, beginnt der D-S-Kanal zu leiten.
Diese Schwellspannung liegt bei den älteren MOSFETs wie BUZ10 o.ä. in der Gegend von 3..4V, ist also wesentlich höher als die ca 0,6V, die an der B-E-strecke eines bipolaren Transistors benötigt werden. Moderne Logik-Level-FETs begnügen sich schon mit 1..2V.

Derartig angesteuert, stellt der Kanal bei kleinen U_DS einen ohm'schen Widerstand dar, er leitet also ab 0V und zwar in beiden Richtungen.
Wenn U_DS grösser wird, etwa ab 1V, geht diese Linearität verloren und der Drainstrom wird zusehends von U_DS unabhängig, bekommt also ähnlich wie beim npn-Transistor, Konstantstromcharakteristik.

Diese Konstantströme lassen sich aber noch mit der Gate-Spannung beeinflussen
Anders als beim bipolaren Transistor, bei dem man in diesem Bereich (also einige Volt U_CE) Werte für die Stromverstärkung Ic/Ib angibt, werden bei den FETs hier Steilheiten I_ds/U_gs angegeben.
Da es sich bei dieser Angabe A/V um einen reziproken Widerstand aka Leitwert handelt, wird der Wert in der Einheit Siemens angegeben. Typische Werte liegen bei etwa 3..20 S.


Die erwähnten selbstleitenden Typen benötigen, wie der Name schon sagt, keine Ansteuerung am Gate, damit der Kanal leitet. Sie lassen sich aber mit einer negativen (bei den N-Kanaltypen) Spannung sperren.
Derartige FETs, insbesondere die Typen mit einer Sperrschicht als Isolator, werden nur für kleine Leistungen (wenige 100mW) hergestellt.
Die Steilheiten dieser Transistoren sind mit typisch 3..25mS viel geringer als bei den selbstsperrenden Leistungstypen, aber aufgrund ihres geringen Rauschens werden sie gerne im Linearbetrieb in den Eingangsstufen von Verstärkern eingesetzt.
anders
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon Rana Sapiens am Freitag 17. April 2009, 13:24

Okay, danke für die Erklärung. :wink:

Leider ist meine Frage immer noch nicht wirklich geklärt:

Beim Bipolartransistor gelten ja die Beziehungen: Ry||(R2+Rbe) und Rx||(R1+Rcb).
Wie sieht es beim Mosfet aus? Wenn ich Ugs groß genug wähle, dass der Transistor voll durchsteuert, gilt dann auch Ry||(R2+Rgs) und Rx||(R1+Rdg)?
Rana Sapiens
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon anders am Freitag 17. April 2009, 13:40

Beim Bipolartransistor gelten ja die Beziehungen: Ry||(R2+Rbe) und Rx||(R1+Rcb).
Ich weiss nicht, was für "Beziehungen" das sein sollen.
Wenn du Gleichungen meinst, dann vergiss das Gleichheitszeichen nicht.
anders
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon Rana Sapiens am Freitag 17. April 2009, 14:09

npnvsmosfet2.gif


Man kann das Problem ja vereinfacht so darstellen. Der aus Rbe+R2 zusammengefasste Widerstand ist parallel zu Ry. Und damit gilt: Ury=Urbe+Ur2.

Gilt eine ähnliche Beziehung auch beim Mosfet?
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon anders am Freitag 17. April 2009, 21:47

Und damit gilt: Ury=Urbe+Ur2.
Dieser Zusammenhang trifft auch beim Bipolartransistor nicht zu, da er die Flusspannung der Basis-Emitter-Diode vernachlässigt (und Rbe ausserdem kein konstanter Wert ist).

Bei Gleichspannung fliesst beim MOSFET kein Strom ins Gate, sodaß an einem entsprechenden Widerstand auch keine Spannung abfallen würde.
Somit hat die durch den Spannungsteiler Rx, Ry vorgegebene Spannung auch nichts mit den Spannungen an D und S zu tun.
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon Rana Sapiens am Samstag 18. April 2009, 11:15

Rana Sapiens hat geschrieben:Man kann das Problem ja vereinfacht so darstellen.

Ja, das sollte auch nur ein ähnliches Beispiel sein...



Auch wenn's sicher mitlerweile nevt, aber ich habe jetzt mal ein kleines Beispiel gezeichnet:

Bild

Die Schaltung links kann ja so nicht funktionieren. Am oberen Widerstand müssten beispielsweise 97V-Ucb abfallen.

Wenn ich dich richtig verstanden habe, dann müsste die Schaltung rechts aber funktionieren, da durch den eingeschalteten Mosfet zwischen Gate und Source kein Strom fließt (bzw. vernachlässigbar klein ist).
Was mir nur gerade auffällt, die 100,5V müssten 100V sein, hab ich vergessen zu ändern ;)
Rana Sapiens
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon anders am Samstag 18. April 2009, 11:36

Die rechte Schaltung funktioniert auch nicht so.
Um die gezeigte Spannungsverteilung an Source (49,5V )und Drain (50V) zu erreichen, müsste die Gatespannung nicht 3V, sondern 49,5V + ca. 3V = 52,5V (etwa) betragen.

Das funktioniert aber so auch nur, wenn der Widerstand in der Sourceleitung gross genug ist, dass sich die 49,5V daran überhaupt aufbauen können.
Wenn der Widerstand in der Drainleitung zu gross ist, oder der MOSFET zu schwach ( R_DS_ON zu gross), dann kann niemals genug Strom dafür fliessen, und dann wird der MOSFET evtl. beschädigt, weil die U_GS zu hoch wird (üblicherweise sind dafür max 20V oder 10V zulässig).
anders
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Re: MOSFET vs NPN - Grundlagenfrage zum MOSFET

Neuer Beitragvon Rana Sapiens am Samstag 18. April 2009, 12:34

Okay, dann ist meine Frage damit beantwortet - danke :-)
Rana Sapiens
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