Feldeffekttransistoren: MOSFET, JFET, IGBT und Gate-Treiber

Feldeffekttransistoren: MOSFET, JFET, IGBT und Gate-Treiber

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Feldeffekttransistor, MOSFET, JFET, IGBT, Unipolartransistor, Anreicherungstyp, Logic-Level-MOSFET, Datenblatt, Gate-Treiber, Bootstrap-Schaltung, Halbbrückentreiber, GaN und SiC

tl/dr; (ca. 25 min Lesezeit): Feldeffekttransistoren werden nicht durch einen Strom, sondern durch eine Spannung gesteuert. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie sich Unipolar- und Bipolartransistoren unterscheiden, wie Du JFET, MOSFET und IGBT an Schaltzeichen und Kennlinien erkennst, Kennwerte wie R_\mathrm{DS(on)}, I_\mathrm{D} und P_\mathrm{tot} aus englischen Datenblättern ermittelst, Spannungen an FET-Stufen berechnest, Gate-Treiber mit Bootstrap-Schaltung und Gate-Schutz verstehst, Halbbrückentreiber vergleichst und GaN- und SiC-Bauelemente einordnest [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 12.11.2026)

Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste des Artikels Transistor als Schalter: Bipolar- und MOSFET-Schaltstufen, Basiswiderstand, Darlington-Treiber auf.

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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … Unterschiede zwischen Unipolartransistoren (MOSFET, JFET) und Bipolartransistoren nennen und Einsatzfälle von FETs begründen.

• … Transistortypen (selbstleitend/selbstsperrend, n-/p-Kanal, npn/pnp) an Schaltzeichen und Kennlinien erkennen.

• … Kennwerte von MOSFETs (R_\mathrm{DS(on)}, I_\mathrm{D}, P_\mathrm{tot}) aus deutschen und englischen Datenblättern ermitteln und MOSFET und Bipolartransistor als Schalter vergleichen.

• … Spannungen an FET-Stufen berechnen (Low-Side- und High-Side-Schalter, JFET mit Sourcewiderstand).

• … Gate-Treiber (Low-Side, High-Side, Bootstrap) und Gate-Schutzbeschaltungen von Leistungs-MOSFETs erklären.

• … Halbbrückentreiber anhand englischsprachiger Datenblätter vergleichen und ihre Austauschbarkeit begründen.

• … technische Unterschiede zweier Bauelemente bzw. Bauelementvarianten in englischer Sprache angeben.

• … IGBTs als spannungsgesteuerte Leistungsschalter einordnen und mit MOSFETs vergleichen.

• … die Vorteile von GaN- und SiC-Leistungshalbleitern gegenüber Silizium-MOSFETs beschreiben und typische Einsatzbereiche nennen.

Ein Akku-Schrauber regelt seinen Motor mit 20 A, ein USB-C-Netzteil schaltet hunderttausendmal pro Sekunde, ein Frequenzumrichter treibt einen Pumpenmotor mit 400 V: In all diesen Geräten arbeiten Feldeffekttransistoren (FET) oder ihre Verwandten, die IGBTs. Im Artikel Transistor als Schalter hast Du den MOSFET schon als Low-Side-Schalter kennengelernt. Hier geht es weiter: um die verschiedenen FET-Arten und ihre Kennlinien, um Datenblattwerte, um Stufen mit Gate-Spannungsteiler und Sourcewiderstand, um Gate-Treiber für schnelle und große Lasten und um neue Halbleitermaterialien.

Das Bild zeigt, worin sich die FET-Arten unterscheiden: Der JFET und der Verarmungs-MOSFET leiten schon ohne Gate-Spannung (selbstleitend) und werden mit einer negativen U_\mathrm{GS} zugesteuert. Der Anreicherungs-MOSFET sperrt ohne Gate-Spannung (selbstsperrend) und leitet erst oberhalb seiner Schwellspannung U_\mathrm{GS(th)}.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Feldeffekttransistoren.

Die Typbezeichnungen FX-30N, FX-75S, HBT-A und HBT-B in diesem Artikel sind erfunden; die Werte entsprechen typischen Bauteilen ihrer Klasse.

Schritt 1: Unipolartransistor und Bipolartransistor

Beim Bipolartransistor tragen zwei Arten von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) den Strom, und ein kleiner Basisstrom steuert den großen Kollektorstrom. Beim Feldeffekttransistor fließt der Strom nur durch einen Kanal aus einer Ladungsträgerart – er ist ein Unipolartransistor. Gesteuert wird er durch das elektrische Feld, das die Spannung zwischen Gate (G) und Source (S) erzeugt. Der Strom fließt von Drain (D) nach Source durch den Kanal; das Gate ist beim MOSFET durch eine dünne Oxidschicht isoliert, beim JFET durch einen gesperrten pn-Übergang.

Daraus ergeben sich die typischen Einsatzfälle von FETs:

• Große Lastströme an Mikrocontrollern: Ein MOSFET braucht keinen Dauersteuerstrom. Für 4 A müsste ein Leistungs-Bipolartransistor mit B = 40 bei doppelter Übersteuerung 2 \cdot 4\ \mathrm{A} : 40 = 200\ \mathrm{mA} Basisstrom bekommen – ein Portpin liefert etwa 20 mA.

• Akku-Geräte: Ein kleiner R_\mathrm{DS(on)} bedeutet kleine Verluste. Bei 4 A und R_\mathrm{DS(on)} = 20\ \mathrm{m\Omega} fallen nur 0,08 V ab; ein Bipolartransistor mit U_\mathrm{CEsat} = 0{,}5\ \mathrm{V} setzt 2 W statt 0,32 W um.

• Schnelles Schalten: PWM-Motorsteuerungen, Schaltnetzteile und Wechselrichter arbeiten mit Frequenzen von 20 kHz bis über 1 MHz.

• Hochohmige Eingänge: JFETs und MOSFETs belasten Sensoren und Messsignale kaum (Eingangsstufen von Messgeräten und OPVs).

Bipolartransistoren bleiben sinnvoll für kleine Lasten, robuste Pegelwandler und lineare Verstärker mit kleinen Spannungen. Den Vergleich als Schalter mit Rechenbeispiel zeigt der Artikel Transistor als Schalter.

Schritt 2: FET-Arten an Schaltzeichen und Kennlinien erkennen

Feldeffekttransistoren unterscheidest Du nach drei Merkmalen:

• Bauart: Sperrschicht-FET (JFET, junction FET) oder Isolierschicht-FET (MOSFET, metal oxide semiconductor FET).

• Kanaltyp: n-Kanal (leitet mit positiver Drain-Source-Spannung, gesteuert mit U_\mathrm{GS} in Richtung positiv) oder p-Kanal (alle Spannungen umgekehrt).

• Grundzustand: selbstleitend (Verarmungstyp, depletion mode: leitet bei U_\mathrm{GS} = 0) oder selbstsperrend (Anreicherungstyp, enhancement mode: sperrt bei U_\mathrm{GS} = 0). JFETs sind immer selbstleitend.

Im Schaltzeichen erkennst Du diese Merkmale so:

• Gate getrennt (Lücke) oder angeschlossen: Beim MOSFET ist das Gate als eigene Linie vom Kanal getrennt (isoliert), beim JFET berührt der Gate-Pfeil den Kanal (pn-Übergang).

• Kanal durchgezogen oder unterbrochen: Ein durchgehender Kanalstrich bedeutet selbstleitend (Verarmungstyp), ein dreifach unterbrochener selbstsperrend (Anreicherungstyp).

• Pfeilrichtung: Der Pfeil zeigt von p nach n. Zeigt er zum Kanal hin, ist es ein n-Kanal-FET; zeigt er vom Kanal weg, ein p-Kanal-FET. Beim Bipolartransistor gilt dieselbe Regel am Emitter: Pfeil nach außen = npn, nach innen = pnp.

• Leistungs-MOSFETs enthalten bauartbedingt eine Inversdiode (body diode) zwischen Source und Drain; in ausführlichen Schaltzeichen ist sie eingezeichnet.

Auch an den Kennlinien erkennst Du den Typ. Die Übertragungskennlinie I_\mathrm{D}(U_\mathrm{GS}) im Titelbild zeigt den Grundzustand: Kurven, die schon bei U_\mathrm{GS} = 0 einen Strom haben (JFET: I_\mathrm{DSS}, drain current at shorted gate), gehören zu selbstleitenden FETs; Kurven, die erst bei U_\mathrm{GS(th)} beginnen, zu selbstsperrenden. Bei p-Kanal-FETs liegen dieselben Kurven gespiegelt im Bereich negativer Spannungen und Ströme. Für den JFET gilt näherungsweise:

I_\mathrm{D} = I_\mathrm{DSS} \cdot \left(1 - \frac{U_\mathrm{GS}}{U_\mathrm{GS(off)}}\right)^2

Das Ausgangskennlinienfeld I_\mathrm{D}(U_\mathrm{DS}) eines MOSFET hat zwei Bereiche: Im ohmschen Bereich (kleine U_\mathrm{DS}) verhält sich der Kanal wie ein von U_\mathrm{GS} abhängiger Widerstand – hier arbeitet der MOSFET als Schalter, die Steigung entspricht 1 : R_\mathrm{DS(on)}. Im Abschnürbereich bleibt I_\mathrm{D} fast konstant und hängt nur von U_\mathrm{GS} ab – hier arbeiten FET-Verstärker und Konstantstromquellen.

Achtung beim Begriff „Sättigung“: Beim Bipolartransistor ist der Sättigungsbereich der voll durchgeschaltete Schalterzustand, beim FET heißt der Bereich mit konstantem Strom (Abschnürbereich) im Englischen saturation region. Der FET-Schalter arbeitet dagegen im ohmschen Bereich.

Schritt 3: Datenblatt lesen und MOSFET auswählen

Datenblätter von Leistungs-MOSFETs sind fast immer englisch. Sie trennen Grenzwerte (absolute maximum ratings), die nie überschritten werden dürfen, von Kennwerten (electrical characteristics) mit Mindest-, typischen und Höchstwerten. Die Tabelle zeigt Auszüge zweier n-Kanal-MOSFETs:

So liest Du die wichtigsten Werte:

• I_\mathrm{D} und P_\mathrm{tot} gelten nur unter der angegebenen Bedingung. T_\mathrm{C} = 25 °C (case, Gehäuse) setzt einen idealen Kühlkörper voraus und ist in der Praxis nicht erreichbar. Ohne Kühlkörper bestimmt R_\mathrm{thJA} die zulässige Verlustleistung: P_\mathrm{zul} = (T_\mathrm{j,max} - T_\mathrm{a}) : R_\mathrm{thJA}. Der FX-75S verträgt frei stehend bei 25 °C nur (175 - 25)\ \mathrm{K} : 62\ \mathrm{K/W} \approx 2{,}4\ \mathrm{W} – nicht 150 W.

• R_\mathrm{DS(on)} gilt nur bei der angegebenen Gate-Spannung und bei 25 °C. Bei 125 °C steigt er typisch auf das 1,5- bis 1,8-Fache. Rechne bei der Auswahl mit dem warmen Wert, wenn die Erwärmung groß ist.

• V_\mathrm{GS(th)} ist kein Einschaltwert: Bei der Schwellspannung fließt erst ein Strom von etwa 250 µA. Ein MOSFET, dessen R_\mathrm{DS(on)} nur bei 10 V angegeben ist, gehört an eine Gate-Spannung von 10 V. Die Typen mit Angabe bei 4,5 V oder 2,5 V heißen Logic-Level-MOSFETs; nur sie dürfen direkt an 5-V- bzw. 3,3-V-Ausgängen arbeiten.

Beispiel: Ein 12-V-LED-Band mit 4 A soll von einem 3,3-V-Mikrocontroller geschaltet werden, Umgebungstemperatur 40 °C. Der FX-75S scheidet aus, denn R_\mathrm{DS(on)} ist nur bei 10 V angegeben und V_\mathrm{GS(th)} kann bis 4 V betragen. Für den FX-30N gilt mit dem Wert bei 2,5 V (bei 3,3 V ist R_\mathrm{DS(on)} etwas kleiner, die Rechnung liegt also auf der sicheren Seite):

U_\mathrm{DS} = I_\mathrm{D} \cdot R_\mathrm{DS(on)} = 4\ \mathrm{A} \cdot 0{,}020\ \Omega = 0{,}080\ \mathrm{V} \qquad P_\mathrm{V} = I_\mathrm{D}^2 \cdot R_\mathrm{DS(on)} = 0{,}32\ \mathrm{W}

T_\mathrm{j} = T_\mathrm{a} + P_\mathrm{V} \cdot R_\mathrm{thJA} = 40\ \mathrm{°C} + 0{,}32\ \mathrm{W} \cdot 50\ \mathrm{K/W} = 56\ \mathrm{°C} < 150\ \mathrm{°C}

Der FX-30N ist geeignet; auch seine Spannungsfestigkeit (30 V) und sein Dauerstrom (9 A) reichen. Wie Du Kühlkörper bemisst, zeigt der Artikel Verlustleistung und Kühlung.

Unterschiede auf Englisch angeben: Bei Rückfragen an Hersteller oder bei der Suche nach Ersatztypen beschreibst Du Unterschiede in kurzen englischen Sätzen. Hilfreich sind Vergleichsformen und whereas:

• The FX-30N is a logic-level MOSFET, whereas the FX-75S needs a gate-source voltage of 10 V to switch on fully.

• The FX-75S has a lower on-state resistance than the FX-30N (8 mΩ compared to 14 mΩ).

• A MOSFET is voltage-controlled, whereas a bipolar transistor is current-controlled.

• The SO-8 package is smaller, but its thermal resistance is higher.

Schritt 4: Spannungen an FET-Stufen berechnen

An einer FET-Stufe gilt immer: Maßgeblich für den Kanal ist die Spannung zwischen Gate und Source, nicht die Gate-Spannung gegen Masse. Liegt zwischen Source und Masse ein Widerstand, gilt

U_\mathrm{GS} = U_\mathrm{G} - U_\mathrm{S} = U_\mathrm{G} - I_\mathrm{D} \cdot R_\mathrm{S}

und die Maschenregel im Lastkreis U_\mathrm{B} = U_{R\mathrm{L}} + U_\mathrm{DS} + U_\mathrm{S}.

JFET mit Sourcewiderstand: Ein selbstleitender JFET stellt sich seinen Arbeitspunkt selbst ein. Das Gate liegt über einen hochohmigen Widerstand an Masse (U_\mathrm{G} = 0, weil kein Gatestrom fließt); der Drainstrom erzeugt am Sourcewiderstand R_\mathrm{S} eine Spannung, die Source wird positiver als das Gate, also wird U_\mathrm{GS} negativ. Beispiel: I_\mathrm{DSS} = 10\ \mathrm{mA}, U_\mathrm{GS(off)} = -4\ \mathrm{V}, gewünscht I_\mathrm{D} = 2{,}5\ \mathrm{mA}, U_\mathrm{B} = 12\ \mathrm{V}, R_\mathrm{D} = 2{,}2\ \mathrm{k\Omega}:

U_\mathrm{GS} = U_\mathrm{GS(off)} \cdot \left(1 - \sqrt{\frac{I_\mathrm{D}}{I_\mathrm{DSS}}}\right) = -4\ \mathrm{V} \cdot (1 - 0{,}5) = -2\ \mathrm{V} \qquad R_\mathrm{S} = \frac{|U_\mathrm{GS}|}{I_\mathrm{D}} = \frac{2\ \mathrm{V}}{2{,}5\ \mathrm{mA}} = 800\ \Omega

U_\mathrm{DS} = U_\mathrm{B} - I_\mathrm{D} \cdot (R_\mathrm{D} + R_\mathrm{S}) = 12\ \mathrm{V} - 2{,}5\ \mathrm{mA} \cdot 3{,}0\ \mathrm{k\Omega} = 4{,}5\ \mathrm{V}

Weil U_\mathrm{DS} = 4{,}5\ \mathrm{V} größer ist als U_\mathrm{GS} - U_\mathrm{GS(off)} = 2\ \mathrm{V}, arbeitet der JFET im Abschnürbereich – der Strom bleibt auch bei schwankender Betriebsspannung fast konstant. Ohne Drainwiderstand ist das eine einfache Konstantstromquelle.

p-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter: Soll die Last einseitig an Masse liegen (z. B. Heizungen, Ventile am Fahrzeug-Chassis), schaltet ein p-Kanal-MOSFET die Plusleitung. Seine Source liegt an +U_\mathrm{B}. Zum Einschalten muss das Gate um einige Volt unter die Source gezogen werden; ein npn-Transistor übernimmt die Pegelwandlung vom Mikrocontroller:

• K_1 gesperrt: Über R_1 liegt das Gate auf Source-Potenzial, U_\mathrm{GS} = 0, die Last ist aus.

• K_1 leitet: R_1 und R_2 bilden einen Spannungsteiler. Mit U_\mathrm{CEsat} \approx 0 gilt U_\mathrm{GS} = -U_\mathrm{B} \cdot \dfrac{R_1}{R_1 + R_2}.

Beispiel: U_\mathrm{B} = 18\ \mathrm{V}, R_1 = R_2 = 22\ \mathrm{k\Omega} ergibt U_\mathrm{GS} = -18\ \mathrm{V} \cdot 0{,}5 = -9\ \mathrm{V} – genug zum vollen Durchschalten und sicher unter der Grenze von ±20 V. Würde K_1 das Gate direkt an Masse ziehen, läge U_\mathrm{GS} = -18\ \mathrm{V} nahe am Grenzwert. Die Z-Diode zwischen Gate und Source begrenzt U_\mathrm{GS} zusätzlich, z. B. bei Spannungsspitzen auf U_\mathrm{B}. Durch den Teiler fließt im eingeschalteten Zustand 18\ \mathrm{V} : 44\ \mathrm{k\Omega} \approx 0{,}41\ \mathrm{mA}.

Schritt 5: Gate-Treiber und Schutzbeschaltung

Im eingeschalteten Zustand braucht ein MOSFET keinen Gatestrom. Das Gate wirkt aber wie ein Kondensator: Bei jedem Umschalten muss die Gateladung Q_\mathrm{g} zu- oder abfließen. Die Schaltzeit hängt deshalb vom Gatestrom ab:

t_\mathrm{s} \approx \frac{Q_\mathrm{g}}{I_\mathrm{G}}

Für den FX-75S (Q_\mathrm{g} = 90\ \mathrm{nC}) dauert das Umschalten mit 20 mA aus einem Portpin etwa 4{,}5\ \mathrm{\mu s}, mit 2 A aus einem Treiberbaustein nur 45 ns. Während des Umschaltens liegen gleichzeitig Spannung und Strom am MOSFET; je länger das dauert, desto größer sind die Schaltverluste. Ab einigen Kilohertz PWM und bei großen MOSFETs ist deshalb ein Gate-Treiber nötig.

• Low-Side-Treiber: Ein Baustein mit Gegentaktausgang (totem pole) lädt und entlädt das Gate mit einigen Ampere. Er setzt außerdem Logikpegel (3,3 V oder 5 V) auf eine Gate-Spannung von 10 … 12 V um – so lassen sich auch Standard-MOSFETs voll durchschalten.

• High-Side-Treiber: Ein n-Kanal-MOSFET an der Plusleitung hat bessere Werte als ein gleich großer p-Kanal-Typ, braucht aber eine Gate-Spannung über U_\mathrm{B}, weil seine Source beim Einschalten auf U_\mathrm{B} steigt. Diese Spannung liefert eine Ladungspumpe oder eine Bootstrap-Schaltung.

Halbbrücke mit Bootstrap-Schaltung: In einer Halbbrücke liegen zwei n-Kanal-MOSFETs übereinander, der Mittelpunkt ist der Ausgang zur Last (Motor, Spule eines Schaltnetzteils). Ein Halbbrückentreiber steuert beide.

1. Ist der untere MOSFET K_2 eingeschaltet, liegt der Ausgang (und VS) etwa auf 0 V. Der Bootstrap-Kondensator C_\mathrm{B} lädt sich über die Bootstrap-Diode D_\mathrm{B} auf etwa U_\mathrm{Tr} - U_\mathrm{F} \approx 12\ \mathrm{V} - 0{,}7\ \mathrm{V} = 11{,}3\ \mathrm{V} auf.

2. Schaltet der obere MOSFET K_1 ein, steigt der Ausgang auf U_\mathrm{B} = 48\ \mathrm{V}. Der Kondensator „reitet“ auf diesem Potenzial mit: VB liegt jetzt bei etwa 48\ \mathrm{V} + 11{,}3\ \mathrm{V} = 59{,}3\ \mathrm{V}. Die Diode sperrt, und C_\mathrm{B} versorgt den oberen Treiberteil, der das Gate von K_1 11,3 V über dessen Source legt.

3. Der Kondensator entlädt sich langsam. Der obere MOSFET kann deshalb nicht dauerhaft eingeschaltet bleiben (Tastgrad unter 100 %).

Bemessung: C_\mathrm{B} \geq Q_\mathrm{g} : \Delta U. Bei Q_\mathrm{g} = 90\ \mathrm{nC} und einem zulässigen Spannungseinbruch von \Delta U = 0{,}5\ \mathrm{V} sind das 180 nF; in der Praxis nimmt man etwa das Zehnfache (z. B. 2,2 µF). Beide MOSFETs einer Halbbrücke dürfen nie gleichzeitig leiten (Brückenkurzschluss, shoot-through); der Treiber fügt deshalb beim Umschalten eine Totzeit (dead time) ein.

Gate-Schutzbeschaltung: Das Gateoxid ist nur einige zehn Nanometer dick und schlägt schon bei etwa 20 … 30 V durch.

Schritt 6: Halbbrückentreiber im Datenblatt vergleichen

Fällt ein Treiberbaustein aus oder ist er nicht lieferbar, suchst Du einen Ersatz. Ob ein anderer Typ austauschbar ist, entscheidest Du mit dem Datenblatt. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Angaben und ihre Bedeutung:

Ein Typ ist direkt austauschbar (pin-compatible drop-in replacement), wenn Gehäuse und Pinbelegung gleich sind und alle Grenz- und Kennwerte mindestens so gut sind wie beim Original und zur Schaltung passen. Ein „besserer“ Wert kann trotzdem stören: Ein Treiber mit viel größerem Ausgangsstrom schaltet schneller und kann ohne angepasste Gatewiderstände stärkere Störungen verursachen; ein Treiber ohne eingebaute Totzeit braucht die Totzeit aus der Software. Kurz auf Englisch: The HBT-B is not a drop-in replacement for the HBT-A because its input threshold is too high for 3.3 V logic.

Schritt 7: IGBT als Leistungsschalter

Der IGBT (insulated gate bipolar transistor) verbindet beide Transistorarten: Er hat ein isoliertes Gate wie ein MOSFET und wird wie dieser spannungsgesteuert und praktisch leistungslos angesteuert. Sein Laststrom fließt aber wie bei einem Bipolartransistor zwischen Kollektor (C) und Emitter (E), und im eingeschalteten Zustand fällt eine fast feste Sättigungsspannung U_\mathrm{CE(sat)} von etwa 1,5 … 2,5 V ab. IGBTs sind selbstsperrend und brauchen etwa 15 V Gate-Spannung zum vollen Einschalten.

Warum lohnt sich der IGBT bei großen Strömen? Vergleiche einen 600-V-MOSFET mit R_\mathrm{DS(on)} = 90\ \mathrm{m\Omega} und einen IGBT mit U_\mathrm{CE(sat)} = 1{,}7\ \mathrm{V}: Bei 10 A setzt der MOSFET 10^2 \cdot 0{,}09\ \mathrm{W} = 9\ \mathrm{W} um, der IGBT 17 W. Bei 30 A sind es 81 W gegen 51 W. Oberhalb von 1{,}7\ \mathrm{V} : 0{,}09\ \Omega \approx 19\ \mathrm{A} hat der IGBT die kleineren Durchlassverluste – und der Unterschied wächst mit dem Strom.

Schritt 8: Leistungshalbleiter aus GaN und SiC

Silizium-MOSFETs stoßen an Grenzen: Für hohe Sperrspannungen wird die schwach dotierte Driftzone dick und R_\mathrm{DS(on)} groß, und große Chips haben große Gateladungen. Halbleiter mit großer Bandlücke (wide bandgap) – Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) – vertragen eine etwa zehnmal höhere elektrische Feldstärke. Bei gleicher Sperrspannung genügt deshalb eine viel dünnere Schicht.

Daraus ergeben sich die Vorteile gegenüber Silizium-MOSFETs:

• Geringere Verluste: kleinerer R_\mathrm{DS(on)} bei gleicher Chipfläche und Spannung, kleinere Gateladung, sehr kurze Schaltzeiten; GaN-Transistoren haben keine Inversdiode mit Sperrverzögerung.

• Höhere Schaltfrequenzen: Bei gleichen Schaltverlusten lässt sich viel schneller schalten. Spulen, Transformatoren und Kondensatoren eines Netzteils werden dadurch kleiner – ein GaN-Ladegerät mit 65 W ist kaum größer als ein klassisches 20-W-Steckernetzteil.

• Kompaktere Geräte: weniger Verlustwärme, kleinere Kühlkörper, höhere Betriebstemperaturen (SiC).

Die Nachteile: höhere Preise, empfindlichere Gate-Ansteuerung (GaN oft nur bis etwa 6 V Gate-Spannung, SiC mit +15 … +18 V und negativer Ausschaltspannung) und hohe Anforderungen an das Leiterplattenlayout wegen der steilen Flanken. Für GaN und SiC gibt es deshalb eigene Gate-Treiber.

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Feldeffekttransistoren

• Schaltstufen, Basisvorwiderstand und Darlington-Treiber: Transistor als Schalter

• Kennlinienfeld und Arbeitspunkt beim Bipolartransistor: Bipolartransistor als Verstärker

• Kühlkörper und Wärmewiderstände: Verlustleistung und Kühlung

• Gehäuseformen und Ersatztypen: Bauformen und Ersatztypen

Leitfragen

1. Worin unterscheiden sich Unipolar- und Bipolartransistoren, und wann setzt Du einen FET ein? Antwort

Beim FET trägt nur eine Ladungsträgerart den Strom, und er wird durch die Spannung U_\mathrm{GS} statt durch einen Basisstrom gesteuert; der Eingang ist sehr hochohmig. FETs setzt man bei großen Strömen an Mikrocontrollern, in Akku-Geräten (kleiner R_\mathrm{DS(on)}), bei schnellem Schalten und für hochohmige Eingänge ein. siehe Abschnitt „Schritt 1: Unipolartransistor und Bipolartransistor“

2. Woran erkennst Du am Schaltzeichen, ob ein FET ein JFET oder MOSFET, n- oder p-Kanal, selbstleitend oder selbstsperrend ist? Antwort

MOSFET: Gate getrennt vom Kanal; JFET: Gate-Pfeil berührt den Kanal. Pfeil zum Kanal hin: n-Kanal, vom Kanal weg: p-Kanal. Durchgezogener Kanal: selbstleitend; unterbrochener Kanal: selbstsperrend. siehe Abschnitt „Schritt 2: FET-Arten an Schaltzeichen und Kennlinien erkennen“

3. Wie erkennst Du an der Übertragungskennlinie einen selbstleitenden FET? Antwort

Bei U_\mathrm{GS} = 0 fließt schon ein Drainstrom (I_\mathrm{DSS}); erst eine Gate-Spannung in Sperrrichtung (beim n-Kanal negativ) bis U_\mathrm{GS(off)} sperrt ihn. Selbstsperrende FETs leiten erst ab U_\mathrm{GS(th)}. siehe Abschnitt „Schritt 2: FET-Arten an Schaltzeichen und Kennlinien erkennen“

4. Warum darfst Du mit I_\mathrm{D} und P_\mathrm{tot} aus dem Datenblatt nicht ohne Weiteres rechnen? Antwort

Die Werte gelten meist bei T_\mathrm{C} = 25 °C, also mit idealem Kühlkörper. Ohne Kühlkörper begrenzt P_\mathrm{zul} = (T_\mathrm{j,max} - T_\mathrm{a}) : R_\mathrm{thJA} die Verlustleistung; R_\mathrm{DS(on)} gilt nur bei der angegebenen U_\mathrm{GS} und steigt mit der Temperatur. siehe Abschnitt „Schritt 3: Datenblatt lesen und MOSFET auswählen“

5. Wie berechnest Du U_\mathrm{GS}, wenn zwischen Source und Masse ein Widerstand liegt? Antwort

U_\mathrm{GS} = U_\mathrm{G} - U_\mathrm{S} = U_\mathrm{G} - I_\mathrm{D} \cdot R_\mathrm{S}. Beim JFET mit U_\mathrm{G} = 0 wird U_\mathrm{GS} dadurch negativ und stellt den Arbeitspunkt ein. siehe Abschnitt „Schritt 4: Spannungen an FET-Stufen berechnen“

6. Warum braucht ein p-Kanal-High-Side-Schalter bei 24 V einen Spannungsteiler am Gate? Antwort

Würde das Gate bis 0 V gezogen, läge U_\mathrm{GS} = -24\ \mathrm{V} über dem Grenzwert von meist ±20 V. Der Teiler begrenzt U_\mathrm{GS} auf -U_\mathrm{B} \cdot R_1 : (R_1 + R_2); eine Z-Diode zwischen Gate und Source schützt zusätzlich. siehe Abschnitt „Schritt 4: Spannungen an FET-Stufen berechnen“

7. Wie funktioniert eine Bootstrap-Schaltung, und warum braucht eine Halbbrücke eine Totzeit? Antwort

Bei eingeschaltetem unteren MOSFET lädt sich C_\mathrm{B} über D_\mathrm{B} auf die Treiberspannung auf; schaltet der obere MOSFET ein, hebt der Kondensator die Versorgung des oberen Treibers über U_\mathrm{B} an. Die Totzeit verhindert, dass beide MOSFETs gleichzeitig leiten (Brückenkurzschluss). siehe Abschnitt „Schritt 5: Gate-Treiber und Schutzbeschaltung“

8. Welche Angaben prüfst Du, bevor Du einen Halbbrückentreiber durch einen anderen Typ ersetzt? Antwort

Gehäuse und Pinbelegung, Offsetspannung V_\mathrm{S}, Versorgungsbereich und UVLO, Ausgangsströme, Eingangsschwellen und Eingangslogik, Verzögerungszeiten und Totzeit. siehe Abschnitt „Schritt 6: Halbbrückentreiber im Datenblatt vergleichen“

9. Wann ist ein IGBT einem MOSFET überlegen, und was bringen GaN und SiC? Antwort

Bei hohen Spannungen und großen Strömen, weil seine Durchlassspannung fast konstant ist; dafür schaltet er langsamer. GaN und SiC haben eine große Bandlücke: geringere Verluste, höhere Schaltfrequenzen und kleinere Geräte – GaN vor allem in Netzteilen bis 650 V, SiC in Umrichtern für hohe Spannungen. siehe Abschnitt „Schritt 7: IGBT als Leistungsschalter“ und Abschnitt „Schritt 8: Leistungshalbleiter aus GaN und SiC“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Feldeffekttransistor und Wikipedia: Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor

• zum IGBT: Wikipedia: Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode

• zu GaN und SiC: Wikipedia: Galliumnitrid und Wikipedia: Siliciumcarbid

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