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Parameterstreuungen bei JFETs

Einleitung

JFETs sind interessante elektronische Bauteile. Viele Schaltungen aus dem DIY-Effekt-Bereich für Vorverstärker und Verzerrer nutzen diese besonderen Transistoren. Auch in Transistorschaltungen zur Emulation eines Röhrenverstärkers werden JFETs gerne eingesetzt. Sie sind daher auch für bastelwütige 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 häufig 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 nützliche 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 Einflüsse:

1. Der Aussteuerbereich am Eingang ist in der Regel unmittelbar mit der Abschnürspannung U_P des JFET verbunden,
    
2. der Arbeitspunkt wird zusätzlich durch den Sättigungsstrom I_DSS beeinflußt und
    
3. die Steilheit S, aus der sich dann die Verstärkung ergibt, ist ebenfalls von Abschnürspannung und Sättigungsstrom abhängig.

Das bedeutet,

1. daß eine JFET-Schaltung "für" einen bestimmten JFET dimensioniert werden muß und
    
2. daß ein Austausch des Transistors veränderte 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 Verfügung 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 grundsätzlich mit eine gewissen Skepsis begegnen... Es sei denn, für den oder die JFETs wurden die für 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 häufig auch nicht vollständig zielführend, denn immerhin reicht die spezifizierte Abschnürspannung von -1,8V bis -4,6V und für den Sättigungsstrom gilt Vergleichbares (siehe dazu der Artikel "Die FET-Vergleichsliste"). Für den Anwender ist das Ganze unschön, aber leider nicht zu ändern.

2. Die Ursachen der Parameterstreuungen

Der "Bauplan" eines JFET beinhaltet folgende ("einstellbare") Daten:

1. Die mechanischen Abmessungen des Kanals (Länge l, Breite w und Dicke d),
    
2. die Dotierung im Kanal (N_D) und
    
3. die Dotierung der Gate-Zone (N_A).

Die mechanischen Abmessungen werden in der Regel durch die Öffnungen der verschiedenen Belichtungsmasken festgelegt. Je nach Wellenlänge 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 Größen, die während des Prozesses möglichst exakt eingehalten werden müssen. Bei jedem Dotierungsverfahren gibt es also auch einen minimalen absoluten Fehler, der zu einer Parameterstreuung beim fertigen Bauteil führt.

Heute geht der Trend zu immer kleineren Bauteilen. Damit trotzdem ein möglichst großer Sättigungsstrom oder eine möglichst große Abschnürspannung 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 Vergrößerung des relativen Fehlers zur Folge, da der absolute Fehler ja erhalten bleibt. Zusammen mit der gesteigerten Dotierung ergibt sich dann häufig eine größerer 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 häufig schier unüberwindliche 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 (Abschnürspannung U_P und Sättigungsstrom I_DSS) gemessen wurden.

Gleichwohl die Größe 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 Abschnürspannung und dem Sättigungsstrom. Dieser scheint linear zu sein, kann also durch eine einfache Geradengleichung beschrieben werden.

Die gestrichelte Ausgleichsgerade schneidet die Abszisse bei einer Spannung von ungefähr 0,6V. Das ist ziemlich genau der Wert der sogenannten Diffusionsspannung U_D, die bei jedem PN-Halbleiterübergang existiert. In der entsprechenden Konstruktionsformel für die Abschnürspannung findet man tatsächlich diese Diffusionsspannung:

Formel 1: Abschnürspannung eines "einseitigen" N-Kanal-JFET

Verringert man nur die Kanaldicke d ohne an der Dotierung des Kanals N_D zu "schrauben", dann ist ein JFET mit einer Abschnürspannung 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 läßt sich leicht beantworten, wenn man genügend verschiedene JFETs zur Verfügung hat. Grundlage des nächsten Bildes sind 586 gemessene Transistoren von sieben bekannten JFETs:

Auch hier folgen die verschiedenen Transistoren einer gemeinsamen Linie. Die eingezeichnete orange Ausgleichsgerade ist übrigens 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 Nähe des Ursprungs bei Spannungen zwischen 0V und -1V. Hier wäre eine Ausgleichsfunktion, wie die in grau gezeichnete gestrichelte Kurve, die bessere Wahl. Diese Abweichung läßt sich jedoch erklären, denn der Zusammenhang zwischen Abschnürspannung und Sättigungsstrom folgt tatsächlich einer Potenzfunktion. "Verheiratet" man die entsprechenden Konstruktionsgleichungen über die Kanaldicke d, so erhält man die folgende Näherung:

Formel 2: Zusammenhang zwischen Abschnürspannung und Sättigungsstrom eines "einseitigen" N-Kanal-JFET

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

Bei kleineren Abschnürspannungen folgen alle gemessenen Transistoren recht gut dem Zusammenhang aus Formel 2. Lediglich ab -4V vergrößern sich die Abweichungen in bemerkenswerter Weise. Aber auch das läßt sich erklären:

Nach der Diffusion ist häufig festzustellen, daß die Dotierung im Zentrum eines Wafers (so nennt man die Siliziumscheibe) etwas größer ist, als am Rand. Da die mechanischen Abmessungen nebst ihren absoluten Fehlern jedoch konstant bleiben, ergibt sich insgesamt eine größere Abweichung. Das wäre zumindest eine mögliche Erklärung, die logisch erscheint, da die Abweichungen von der Ausgleichskurve mit steigendem Betrag der Abschnürspannung zunehmen.

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

4. Kampf den Parameterstreuungen - Die Herstellerseite

Die Halbleiterhersteller sitzen in einer Zwickmühle: Einerseits lassen sich die Parameterstreuungen während 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:

Da alle Transistoren "auf Linie" liegen wird mit großer Wahrscheinlichkeit nur ein Basis-Typ BF245 diffundiert. Wäre es das Ziel, einen JFET mit einer Abschnürspannung zwischen -1,5V und -2,5V zu erzeugen, so wäre das Ergebnis aus wirtschaftlicher Sicht fatal, denn gerade mal 6,4% aller Produkte erfüllen dieses Kriterium. Alle anderen Produkte müßten folglich als ungeeignet und damit als Ausfall und gewinnschmälernd 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 angeführten Gründen 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 glücklich sein: Der Hersteller, der jetzt seine gesamte Produktion verkaufen kann und die Anwender, weil sich durch die Selektion der zu erwartende Streubereich einschränkt. Daß das in der Praxis häufig nicht ausreichend ist, steht indes auf einem anderen Blatt.

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

Für einige JFETs werden keine Selektionen angeboten. Der bekannte MPF102 ist dafür ein gutes Beispiel. Die Abschnürspannung darf - gemäß 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 gegenüber 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 üblichen Pro-Electron-Norm folgt, sind sie leicht zu erkennen: Die Selektion wird in Form eines Buchstabens hinter der Zahl angefügt. Die amerikanische JEDEC-Norm oder die japanische JIS-Norm bieten diese Möglichkeit nicht. Hier ist es also denkbar, daß zwei, gemäß Bezeichnung unterschiedliche JFETs, auf dem gleichen Diffusionstyp basieren. In der Praxis wird das mit Sicherheit so sein, denn auch die außereuropäischen Halbleiterhersteller verlieren ungerne Geld!

Der beobachtete Zusammenhang zwischen Abschnürspannung und Sättigungsstrom bietet bei der Selektion einen Vorteil: Es ist ausreichend, Abschnürspannung oder Sättigungsstrom zu messen und danach zu selektieren. Die (fehlende) nicht gemessene Größe läßt sich dann mit guter Näherung aus dem linearen Zusammenhang abschätzen. Bei den üblichen 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 Anwendungsfällen ist der vom Hersteller spezifizierte Streubereich der Transistoren immer noch zu groß. Natürlich könnte man von den Herstellern einen engeren Streubereich fordern. Die machen das gerne,... wenn man pro Jahr mehrere zehntausend Transistoren abnimmt und die Kosten für die erforderliche Selektion trägt. Für 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 müssen! Aber selbst wenn man über die notwendigen Kentnisse nebst den erforderlichen Meß- und Prüfmitteln verfügt, bleibt das ganze ärgerlich und teuer. Dazu ein kleines Beispiel:

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

Unlängst habe ich 60 Transistoren erworben, von denen lediglich fünf Stück geeignet waren. Effektiver Stückpreis: 9,50 Euro! Der BF245 wird von einigen Händlern jetzt schon für 2,20 Euro angeboten (und ist doch nicht verfügbar). Fünf geeignete Exemplare würden dann sogar 32,90 Euro pro Stück kosten!!! Bei dem Preis kann man solche Transistoren bald mit Gold aufwiegen!

Vor dem Hintergrund einer sinkenden Verfügbarkeit von bedrahteten JFETs (siehe dazu mein Beitrag im Musiker-Board) und den damit zwangsläufig zu erwartenden Preissteigerungen, ist diese Situation für den Einzelanwender natürlich 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 Händlerware, aber immer noch billiger, als 9,50 Euro und man weiß, was man bekommt! Eine Übersicht über die zur Verfügung 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 für den Endanwender nicht wirklich. Besonders bei der Suche nach einem geeigneten Ersatztyp steht er häufig 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 über 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 läßt sich recht gut durch den BF245C ersetzen. Allerdings gilt das nur für Abschnürspannungen 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. Für 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 müssen 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...

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