Halbleitertechnologie von A bis Z

Ein n-Kanal-JFET besteht aus einem durchgehenden Kanal aus n-dotiertem Halbleitermaterial, meist Silizium. Auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals (bei planarem Aufbau) oder ihn umschließend (bei symmetrischem Aufbau) sind stark p⁺-dotierte Gebiete eingebracht, die gemeinsam den Gate-Anschluss bilden. An den beiden Enden des Kanals befinden sich die ohmschen Anschlüsse Source und Drain. Da der Kanal zwischen Source und Drain physikalisch symmetrisch aufgebaut ist, sind beide Anschlüsse bei den meisten JFETs im Prinzip vertauschbar – erst die äußere Schaltung legt fest, welcher Anschluss als Source (Bezugspotential) dient. Bei p-Kanal-JFETs sind Dotierungen und Polaritäten entsprechend invertiert.

Der pn-Übergang zwischen Gate und Kanal wird im Betrieb stets in Sperrrichtung vorgespannt (bei n-Kanal-JFET also V_GS ≤ 0 V). Dadurch bildet sich eine Raumladungszone (Verarmungszone) aus, die praktisch frei von beweglichen Ladungsträgern ist und daher nicht zum Stromfluss beiträgt. Mit zunehmender Sperrspannung wächst diese Zone in den Kanal hinein und verengt seinen leitfähigen Querschnitt. Da die Drain-Source-Spannung V_DS selbst einen Spannungsabfall entlang des Kanals erzeugt, ist die Verarmungszone am drainseitigen Ende stärker ausgeprägt als am sourceseitigen Ende – der Kanal verengt sich also keilförmig. Erreicht die Verarmungszone bei einer bestimmten Spannung den gegenüberliegenden Rand, ist der Kanal vollständig abgeschnürt (Pinch-off).

Das Ausgangskennlinienfeld I_D über V_DS für verschiedene V_GS zeigt drei charakteristische Bereiche: Im ohmschen Bereich (kleine V_DS) verhält sich der JFET näherungsweise wie ein spannungsgesteuerter Widerstand, dessen Widerstandswert von V_GS abhängt. Im Abschnür- bzw. Sättigungsbereich (V_DS > V_DS,sat) bleibt I_D nahezu konstant, da der Kanal am drainseitigen Ende bereits abgeschnürt ist und weitere Spannungserhöhung den Strom kaum noch beeinflusst. Der Drainstrom im Sättigungsbereich lässt sich näherungsweise mit der Shockley-Gleichung beschreiben:

I_D = I_DSS · (1 − V_GS / V_p)²

Dabei ist I_DSS der maximale Drainstrom bei V_GS = 0 V und V_p die Abschnürspannung (Pinch-off-Spannung). Im Durchbruchbereich (V_DS sehr groß) kommt es schließlich zum Lawinendurchbruch am drainseitigen pn-Übergang, der den JFET zerstören kann.

Für den Einsatz als Verstärkerbauelement ist die Steilheit (Transkonduktanz) g_m = ∂I_D / ∂V_GS entscheidend, die angibt, wie stark sich der Drainstrom bei einer kleinen Änderung der Gate-Source-Spannung ändert. Da der JFET spannungsgesteuert mit sehr geringem Gate-Strom arbeitet, besitzt er eine extrem hohe Eingangsimpedanz, was ihn – ähnlich wie den MOSFET – für hochohmige Signalquellen prädestiniert.

Da das Gate stets in Sperrrichtung betrieben wird, ist der Gate-Leckstrom extrem gering, was JFETs zu bevorzugten Bauelementen für rauscharme Eingangsstufen macht, etwa in Operationsverstärkern, Elektrometerverstärkern und hochwertiger Audiotechnik. Weitere klassische Anwendungen sind spannungsgesteuerte Widerstände (Chopper-Schaltungen), einfache Konstantstromquellen (durch Kurzschluss von Gate und Source) sowie HF-Schalter. Da JFETs keine empfindliche Oxidschicht besitzen, sind sie robuster gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) als MOSFETs. Nachteilig ist, dass sich JFETs nicht im Anreicherungsmodus betreiben lassen und wegen der lateralen Ausdehnung der Gate-Gebiete schlechter skalieren als MOSFETs, weshalb sie in hochintegrierten Digitalschaltungen keine Rolle spielen.