Parameterstreuungen bei JFETs

DerOnkel

Power-User
26 Nov 2004
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Ellerau
Parameterstreuungen bei JFETs

Einleitung

JFETs sind interessante elektronische Bauteile. Viele Schaltungen aus dem DIY-Effekt-Bereich fĂŒr VorverstĂ€rker und Verzerrer nutzen diese besonderen Transistoren. Auch in Transistorschaltungen zur Emulation eines RöhrenverstĂ€rkers werden JFETs gerne eingesetzt. Sie sind daher auch fĂŒr bastelwĂŒtige und nichtelektronische Menschen der Gattung "Homo Musicus Hexas Chorda" von einer gewissen Bedeutung.

Da ich JFETs in den Impedanzwandlern der SB-1-XX-Serie verwende, werde ich hÀufig gefragt, warum ich deren Schaltung und besonders die Dimensionierung nicht veröffentliche? Die Antwort darauf findet sich im folgenden Artikel...

1. Das JFET-Problem

Sperrschichtfeldeffekttransistoren (engl. Junction Fieldeffect Transistor oder kurz JFETs) haben viele gute und nĂŒtzliche Eigenschaften, aber auch ein großes Problem: Im Gegensatz zum bipolaren Transistor gehen ihre elektrischen Kenndaten stark in die Eigenschaften der Schaltung ein. Hier einige wichtige EinflĂŒsse:
  1. Der Aussteuerbereich am Eingang ist in der Regel unmittelbar mit der AbschnĂŒrspannung UP des JFET verbunden,

  2. der Arbeitspunkt wird zusĂ€tzlich durch den SĂ€ttigungsstrom IDSS beeinflußt und

  3. die Steilheit S, aus der sich dann die VerstĂ€rkung ergibt, ist ebenfalls von AbschnĂŒrspannung und SĂ€ttigungsstrom abhĂ€ngig.
Das bedeutet,
  1. daß eine JFET-Schaltung "fĂŒr" einen bestimmten JFET dimensioniert werden muß und

  2. daß ein Austausch des Transistors verĂ€nderte elektrische Eigenschaften der Schaltung, bis zum funktionalen Ausfall, nach sich ziehen kann!
Muß der Transistor getausch werden, weil zum Beispiel ein Defekt vorliegt, so muß ein Ersatztransistor mit möglichst den gleichen elektrischen Parametern eingesetzt werden. Ist das nicht möglich, weil ein entsprechender Transistor nicht mehr zur VerfĂŒgung steht, dann bleibt nur die Möglichkeit, die bestehende Schaltung entsprechend umzudimensionieren, was allerdings auch nicht in jedem Fall durch Erfolg gekrönt wird.

Aus diesem Grunde sollte man fertig dimensionierten JFET-Schaltungen grundsĂ€tzlich mit eine gewissen Skepsis begegnen... Es sei denn, fĂŒr den oder die JFETs wurden die fĂŒr die korrekte Funktion der Schaltung notwendigen Parameter angegeben. In der Regel ist genau das aber nicht der Fall!

Das ist aber noch nicht die ganze Wahrheit, denn selbst innerhalb eines JFET-Typs streuen die Daten der elektrischen Parameter sehr stark. Einen BF245B gegen einen anderen blindlings zu tauschen, ist also hĂ€ufig auch nicht vollstĂ€ndig zielfĂŒhrend, denn immerhin reicht die spezifizierte AbschnĂŒrspannung von -1,8V bis -4,6V und fĂŒr den SĂ€ttigungsstrom gilt Vergleichbares (siehe dazu der Artikel "Die FET-Vergleichsliste"). FĂŒr den Anwender ist das Ganze unschön, aber leider nicht zu Ă€ndern.

2. Die Ursachen der Parameterstreuungen

Der "Bauplan" eines JFET beinhaltet folgende ("einstellbare") Daten:
  1. Die mechanischen Abmessungen des Kanals (LĂ€nge l, Breite w und Dicke d),

  2. die Dotierung im Kanal (ND) und

  3. die Dotierung der Gate-Zone (NA).
Die mechanischen Abmessungen werden in der Regel durch die Öffnungen der verschiedenen Belichtungsmasken festgelegt. Je nach WellenlĂ€nge des zur Belichtung genutzen Lichtes ergeben sich unterschiedliche absolute Fehler, die sich nicht weiter minimieren lassen. Hier sind besonders Fehler durch Beugungseffekte der Lichtwellen an den Kanten der Masken zu nennen.

Je nach Dotierungsverfahren (Diffusion, Ionenimplantation,...) ergeben sich unterschiedliche Fehlermöglichkeiten. Bei der Diffusion spielt zum Beispiel die Konzentration und Reinheit des verwendeten Diffusionsgases eine große Rolle. Temperatur und Zeit sind weitere wichtige GrĂ¶ĂŸen, die wĂ€hrend des Prozesses möglichst exakt eingehalten werden mĂŒssen. Bei jedem Dotierungsverfahren gibt es also auch einen minimalen absoluten Fehler, der zu einer Parameterstreuung beim fertigen Bauteil fĂŒhrt.

Heute geht der Trend zu immer kleineren Bauteilen. Damit trotzdem ein möglichst großer SĂ€ttigungsstrom oder eine möglichst große AbschnĂŒrspannung erzeugt werden können, bleibt nur die Möglichkeit, die Dotierung in geeigneter Weise in die Höhe zu treiben. Eine Verringerung der mechanischen Abmessungen hat in der Regel eine VergrĂ¶ĂŸerung des relativen Fehlers zur Folge, da der absolute Fehler ja erhalten bleibt. Zusammen mit der gesteigerten Dotierung ergibt sich dann hĂ€ufig eine grĂ¶ĂŸerer Parameterstreuung, die nicht immer durch geeignete Maßnahmen in der eigentlichen Produktion kompensiert werden kann. Die Physik setzt dem Schaffensdrang der Prozessingenieure in dieser Hinsicht leider hĂ€ufig schier unĂŒberwindliche Grenzen, die trotz aller Innovationen nicht immer durchbrochen werden können!

Man erkennt aus diesen Überlegungen, daß eine Parameterstreuung in einem gewissen Umfang mehr oder weniger unvermeidlich ist!

3. Dem JFET unter den "Rock" geschaut

Wie eine solche Parameterstreuung aussehen kann, zeigt das folgende Bild am Beispiel des bekannten JFETs BF245, der von verschiedenen Herstellern angeboten wird. Grundlage sind 124 Transistoren der Typen BF245A, BF245B und BF245C von unterschiedlichen Herstellern, deren elektrische Daten (AbschnĂŒrspannung UP und SĂ€ttigungsstrom IDSS) gemessen wurden.

[img:664x406]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Images/BF245Distribution.gif[/img]

Gleichwohl die GrĂ¶ĂŸe der Stichprobe keine große statistische Belastbarkeit ermöglicht, lassen sich aus diesem Bild doch ein paar interessante Erkenntnisse gewinnen:

Alle Transistoren "bewegen" sich im Grunde genommen auf einer Linie. Ganz offensichtlich gibt es beim BF245 also einen Zusammenhang zwischen der AbschnĂŒrspannung und dem SĂ€ttigungsstrom. Dieser scheint linear zu sein, kann also durch eine einfache Geradengleichung beschrieben werden.

Die gestrichelte Ausgleichsgerade schneidet die Abszisse bei einer Spannung von ungefĂ€hr 0,6V. Das ist ziemlich genau der Wert der sogenannten Diffusionsspannung UD, die bei jedem PN-HalbleiterĂŒbergang existiert. In der entsprechenden Konstruktionsformel fĂŒr die AbschnĂŒrspannung findet man tatsĂ€chlich diese Diffusionsspannung:

[img:233x65]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Images/Eq_01_UP.gif[/img]
Formel 1: AbschnĂŒrspannung eines "einseitigen" N-Kanal-JFET

Verringert man nur die Kanaldicke d ohne an der Dotierung des Kanals ND zu "schrauben", dann ist ein JFET mit einer AbschnĂŒrspannung von weniger als 0,6V nicht zu realisieren. Hier zeigt uns die Physik also eine deutliche Grenze auf!

Und wie sieht es bei anderen JFETs von anderen Herstellern aus? Ganz anders oder ganz genau so? Die Frage lĂ€ĂŸt sich leicht beantworten, wenn man genĂŒgend verschiedene JFETs zur VerfĂŒgung hat. Grundlage des nĂ€chsten Bildes sind 586 gemessene Transistoren von sieben bekannten JFETs:

[img:664x406]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Images/JFETDistribution.gif[/img]

Auch hier folgen die verschiedenen Transistoren einer gemeinsamen Linie. Die eingezeichnete orange Ausgleichsgerade ist ĂŒbrigens die gleiche, wie im vorhergehenden Bild. Die Steigung ist identisch! Auch die Lage der Diffusionsspannung ist wieder deutlich zu erkennen.

Eine bemerkenswerte Abweichung ergibt sich nur in der NĂ€he des Ursprungs bei Spannungen zwischen 0V und -1V. Hier wĂ€re eine Ausgleichsfunktion, wie die in grau gezeichnete gestrichelte Kurve, die bessere Wahl. Diese Abweichung lĂ€ĂŸt sich jedoch erklĂ€ren, denn der Zusammenhang zwischen AbschnĂŒrspannung und SĂ€ttigungsstrom folgt tatsĂ€chlich einer Potenzfunktion. "Verheiratet" man die entsprechenden Konstruktionsgleichungen ĂŒber die Kanaldicke d, so erhĂ€lt man die folgende NĂ€herung:

[img:474x65]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Images/Eq_02_IDSS.gif[/img]
Formel 2: Zusammenhang zwischen AbschnĂŒrspannung und SĂ€ttigungsstrom eines "einseitigen" N-Kanal-JFET

Betrachtet man nur einen bestimmten Transistor, dann befinden sich im roten Kasten lediglich Konstanten. Auch die Kanalbreite w, die KanallĂ€nge l sowie die Kanaldotierung ND sind in diesem Fall als konstant anzusehen. Es bleibt also nur die grĂŒn umrahmte Potenzfunktion ĂŒbrig, die innerhalb eines gewissen Bereiches mit guter NĂ€herung als linear betrachtet werden kann. Ein signifikanter Fehler tritt nur auf, wenn der Betrag der AbschnĂŒrspannung in den Bereich der Diffusionspannung kommt und das ist genau der Fehler, der im Bild zu erkennen ist.

Bei kleineren AbschnĂŒrspannungen folgen alle gemessenen Transistoren recht gut dem Zusammenhang aus Formel 2. Lediglich ab -4V vergrĂ¶ĂŸern sich die Abweichungen in bemerkenswerter Weise. Aber auch das lĂ€ĂŸt sich erklĂ€ren:

Nach der Diffusion ist hĂ€ufig festzustellen, daß die Dotierung im Zentrum eines Wafers (so nennt man die Siliziumscheibe) etwas grĂ¶ĂŸer ist, als am Rand. Da die mechanischen Abmessungen nebst ihren absoluten Fehlern jedoch konstant bleiben, ergibt sich insgesamt eine grĂ¶ĂŸere Abweichung. Das wĂ€re zumindest eine mögliche ErklĂ€rung, die logisch erscheint, da die Abweichungen von der Ausgleichskurve mit steigendem Betrag der AbschnĂŒrspannung zunehmen.

Interessant, was man einem so kleinen Diagramm alles entnehmen kann, nicht wahr?

4. Kampf den Parameterstreuungen - Die Herstellerseite

Die Halbleiterhersteller sitzen in einer ZwickmĂŒhle: Einerseits lassen sich die Parameterstreuungen wĂ€hrend der Produktion nicht vermeiden, andererseits möchte man sie, als negatives Resultat, aber nicht haben! Also, "Was tun?", sprach Zeus. Als Hersteller hat man in dieser Situation nur eine Möglichkeit: Man macht das Beste daraus! Das Mittel dazu heißt: "Selektion"! Sehen wir uns noch einmal die Meßergebnisse des BF245 an:

[img:664x406]http://www.guitar-letter.de/Knowledge/Grundlagen/Images/BF245Distribution.gif[/img]

Da alle Transistoren "auf Linie" liegen wird mit großer Wahrscheinlichkeit nur ein Basis-Typ BF245 diffundiert. WĂ€re es das Ziel, einen JFET mit einer AbschnĂŒrspannung zwischen -1,5V und -2,5V zu erzeugen, so wĂ€re das Ergebnis aus wirtschaftlicher Sicht fatal, denn gerade mal 6,4% aller Produkte erfĂŒllen dieses Kriterium. Alle anderen Produkte mĂŒĂŸten folglich als ungeeignet und damit als Ausfall und gewinnschmĂ€lernd betrachtet werden!

Die Hersteller verfolgen immer das Ziel, möglichst alle Produkte verkaufen zu können, aber einen Transistor mit einer so großen Streuung wird man mit den in Kapitel 1 angefĂŒhrten GrĂŒnden kaum am Markt absetzen können. Also wird der gesamte Streubereich unterteilt - hier in drei Bereiche - und schwups haben der BF245A, der BF245B und der BF245C das Licht der Welt erblickt. Alle Beteiligten können damit glĂŒcklich sein: Der Hersteller, der jetzt seine gesamte Produktion verkaufen kann und die Anwender, weil sich durch die Selektion der zu erwartende Streubereich einschrĂ€nkt. Daß das in der Praxis hĂ€ufig nicht ausreichend ist, steht indes auf einem anderen Blatt.

Die EinfĂŒhrung von Selektionen machen die Hersteller allerdings nicht freiwillig, denn sie bedeuten einen zusĂ€tzlichen logistischen Aufwand und kosten somit auch Geld. Die Hersteller sind daher bestrebt, die Anzahl der Selektionsgruppen so klein wie möglich zu halten.

FĂŒr einige JFETs werden keine Selektionen angeboten. Der bekannte MPF102 ist dafĂŒr ein gutes Beispiel. Die AbschnĂŒrspannung darf - gemĂ€ĂŸ Datenblatt - Werte zwischen -0,5V und -8V annehmen - ein recht großer Bereich! Die Verteilung von 122 gemessenen Transistoren dieses Typs zeigt jedoch einen deutlich kleineren Bereich von -2,4V bis -4,2V. Hier hat sich der Hersteller vielleicht doch etwas Sicherheit gegenĂŒber Prozessschwankungen eingebaut. Man könnte das als Hinweis deuten, daß man den Prozess wohl nicht so gut "im Griff" hat!

Manchmal sind die Selektionen auch nicht direkt sichtbar. Beim BF245, dessen Namen der in Europa ĂŒblichen Pro-Electron-Norm folgt, sind sie leicht zu erkennen: Die Selektion wird in Form eines Buchstabens hinter der Zahl angefĂŒgt. Die amerikanische JEDEC-Norm oder die japanische JIS-Norm bieten diese Möglichkeit nicht. Hier ist es also denkbar, daß zwei, gemĂ€ĂŸ Bezeichnung unterschiedliche JFETs, auf dem gleichen Diffusionstyp basieren. In der Praxis wird das mit Sicherheit so sein, denn auch die außereuropĂ€ischen Halbleiterhersteller verlieren ungerne Geld!

Der beobachtete Zusammenhang zwischen AbschnĂŒrspannung und SĂ€ttigungsstrom bietet bei der Selektion einen Vorteil: Es ist ausreichend, AbschnĂŒrspannung oder SĂ€ttigungsstrom zu messen und danach zu selektieren. Die (fehlende) nicht gemessene GrĂ¶ĂŸe lĂ€ĂŸt sich dann mit guter NĂ€herung aus dem linearen Zusammenhang abschĂ€tzen. Bei den ĂŒblichen großen Selektionbereichen ist ein solches Vorgehen unproblematisch und spart Testzeit und damit Geld und schließlich gilt ja auch: Alle Halbleiterhersteller verlieren ungerne Geld!

5. Kampf den Parameterstreuungen - Der Endanwender muß es ausbaden

Trotz aller Anstrengungen der Halbleiterhersteller bleibt es dem Anwender nicht erspart, ebenfalls den Kampf gegen die Parameterstreuung aufzunehmen, denn in vielen AnwendungsfĂ€llen ist der vom Hersteller spezifizierte Streubereich der Transistoren immer noch zu groß. NatĂŒrlich könnte man von den Herstellern einen engeren Streubereich fordern. Die machen das gerne,... wenn man pro Jahr mehrere zehntausend Transistoren abnimmt und die Kosten fĂŒr die erforderliche Selektion trĂ€gt. FĂŒr den Einzelanwender ist das also keine Lösung!

Also bleibt nur das bekannte Motto: "Selbst ist der Mann!" Das bedeutet, daß wir die Parameter selber messen mĂŒssen! Aber selbst wenn man ĂŒber die notwendigen Kentnisse nebst den erforderlichen Meß- und PrĂŒfmitteln verfĂŒgt, bleibt das ganze Ă€rgerlich und teuer. Dazu ein kleines Beispiel:

Wir kaufen 50 Transistoren fĂŒr einen Preis von 0,25 Euro pro StĂŒck. Die Versandkosten betragen gĂŒnstige 2,50 Euro. Wenn davon nur 10 Bauteile fĂŒr die vorgesehene Anwendung geeignet sind, dann kostet einer dieser Transitoren nicht mehr 25 Cent, sondern effektiv 1,50 Euro! Die Kosten fĂŒr die Messungen sind darin allerdings noch nicht enthalten. Bei einem Stundensatz von 60 Euro und einer Testzeit von 30 Sekunden steigt der Preis fĂŒr den brauchbaren Transitor auf diese Weise auf 4 Euro!

UnlĂ€ngst habe ich 60 Transistoren erworben, von denen lediglich fĂŒnf StĂŒck geeignet waren. Effektiver StĂŒckpreis: 9,50 Euro! Der BF245 wird von einigen HĂ€ndlern jetzt schon fĂŒr 2,20 Euro angeboten (und ist doch nicht verfĂŒgbar). FĂŒnf geeignete Exemplare wĂŒrden dann sogar 32,90 Euro pro StĂŒck kosten!!! Bei dem Preis kann man solche Transistoren bald mit Gold aufwiegen!

Vor dem Hintergrund einer sinkenden VerfĂŒgbarkeit von bedrahteten JFETs (siehe dazu mein Beitrag im Musiker-Board) und den damit zwangslĂ€ufig zu erwartenden Preissteigerungen, ist diese Situation fĂŒr den Einzelanwender natĂŒrlich besonders unschön! Aber die Rettung ist nahe, denn der Onkel hat in seinem Bestand eine ganze Reihe von JFETs, die allesamt mit einem Streubereich von 250mV selektiert worden sind. Die sind dann zwar deutlich teurer als die unselektierte HĂ€ndlerware, aber immer noch billiger, als 9,50 Euro und man weiß, was man bekommt! Eine Übersicht ĂŒber die zur VerfĂŒgung stehenden Transistoren ist unter "Selektierte N-Kanal JFETs" zu finden.

Fazit

Die Parameterstreuungen bei JFETs sind unvermeidlich und die von den Herstellern angebotenen Selektionen lösen das bestehende Problem fĂŒr den Endanwender nicht wirklich. Besonders bei der Suche nach einem geeigneten Ersatztyp steht er hĂ€ufig vor einem unlösbaren Problem.

Alle Hersteller von Sperrschichtfeldeffekttransistoren kochen nur mit Wasser. Mehr noch benutzen sie nicht nur das gleiche Wasser, sondern auch noch das gleiche Rezept! Auf Grundlage der Meßergebnisse lassen sich ĂŒber die einzelnen Verteilungen folgende Aussagen treffen:
  1. Der BF245A ist gut mit dem 2N5457 zu vergleichen.

  2. Der MPF102 entspricht mit guter Genauigkeit dem BF245B.

  3. Der J201 hat in dieser Datenbasis kein wirkliches Pendent. In wie weit die Typen 2SK117, 2SK170 oder 2SK445 vergleichbar sind, muß gesondert untersucht werden.

  4. Der BF256C lĂ€ĂŸt sich recht gut durch den BF245C ersetzen. Allerdings gilt das nur fĂŒr AbschnĂŒrspannungen bis -5V. Im Zweifelsfall ist hier also eine Messung unbedingt erforderlich!
Diese Erkenntnisse sind durchaus wertvoll, denn sie zeigen, daß es nicht auf den Namen das JFETs ankommt, sondern lediglich auf seine elektrischen Daten. FĂŒr die Impedanzwandler der SB-1-XX-Serie werden zum Beispiel Transistoren des Typs BF245B, BF245C, BF256C, MPF102 und 2N5457 verwendet. Diese JFETs unterscheiden sich teilweise mechanisch in der Anschlußfolge der Pins. Sie mĂŒssen also gegebenenfalls um 180° gedreht eingebaut werden, was aber kein Problem darstellt. Die elektrischen Eigenschaften der Schaltung sind in jedem Fall identisch!

Das Kernproblem ist damit aber leider nicht gelöst, denn nach wie vor muß man die geeigneten Transistoren durch eine eigene Selektion "rausmessen", aber es gibt ja den Onkel...

Ulf

(Der vollstÀndige und stets aktuelle Artikel ist ebenfalls in der Knowledge Database der Guitar-Letters zu finden.)
 

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