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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wieso tritt saturation auf?


Autor: divB (Gast)
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Hi,

Kann mir jemand (anhand des angehaengten Bildes) erklaeren wieso 
"saturation" bei einem MOSFET auftritt?

Ich habe mittlerweile schon einige Quellen gefunden aber ich bringe das 
Bild nicht in meine Erklaerung rein...

lg
divB

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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divB schrieb:

> Kann mir jemand (anhand des angehaengten Bildes) erklaeren wieso
> "saturation" bei einem MOSFET auftritt?

Was für eine Sättigung meinst du denn?  Die, dass bei einer
bestimmten Gate-Source-Spannung der FET nahezu als Konstantstrom-
quelle arbeitet?  Lässt sich mit diesem einfachen Modell nicht
erklären, dazu müsstest du dir ein Modell vorstellen, bei dem der
Querschnitt des Kanals durch die Ansteuerung verändert wird.

Autor: Ralf (Gast)
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Vom Bild her würd ich sagen, eine zu hohe Spannung zwischen Drain und 
Source sorgt dafür, dass das "Wasser" anfängt zu schwappen, was am 
Ausgang für einen Abriss des Stromes sorgt :)

Ralf

Autor: divB (Gast)
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Hi,

@Joerg: Nein, eher nicht. hmmm...konkret meine ich dieses 
Saettigungsbereich.:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92...

Also wir setzen Gatespannung konstant (ist dann eine der Kennlinien) und 
Source auf Masse und variieren nur die Drainspannung. So gesehen ist nur 
Drainspannung von Bedeutung.

Zuerst steigt der Strom dann quasilinear an, danach bleibt er allerdings 
konstant (saturation region, Saettigung). Die grosse Frage ist nun wieso 
dies passiert (in Bezug auf den Ladungstransport im Kanal).

lg,
divB

Autor: Klaus (Gast)
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Also, der Kanalwiderstand des FETs ist ja nicht Null. Deswegen fällt 
dort eine Spannung über dem Kanal ab, die umso größer wird, je größer 
der Strom ist.

Das heißt, die Potentialdifferenz zwischen Gate und dem Kanal ist an 
einem Ende des Kanals kleiner als am anderen, da sich das Potentiel des 
Kanals ja von einer Seite zur anderen leicht ändert. Und diese 
Potentieldifferez bestimmt wie groß der leitfähige Kanal unter dem Gate 
ist.

Ein hoher Strom führt also auf der einen Seite des Gates zu einer 
Verringerung Kanaldicke und damit zu einem ansteigen des 
Kanalwiderstands. Der Strom bremst sich durch diesen Efekkt also selber 
aus, weshalb er nicht weiter ansteigt.

Autor: Klaus (Gast)
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P.S.: Das Bild im ersten Post ist die schlechteste Analogie für einen 
FET, die ich je gesehen hab. Vergiss das Bild besser wieder.

Autor: Vlad Tepesch (vlad_tepesch)
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Sättigung ist dann erreicht, wenn die Drain-Seite soweit runtergefahren 
ist, dass ein weiteres Absenken keinen schnelleren Wasserfluss mehr zur 
Folge hat, weil es nicht so schnell aus der Zuleitung der Quelle kommt.

fährt man weiter runter, ändert sich nix, außer das der Rückweg 
schwieriger ist, da ich weiter hoch muss, bis sich am abfluss wieder 
etwas ändert.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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divB schrieb:

> @Joerg: Nein, eher nicht.

Eher doch. ;-)

> Also wir setzen Gatespannung konstant (ist dann eine der Kennlinien) und
> Source auf Masse und variieren nur die Drainspannung. So gesehen ist nur
> Drainspannung von Bedeutung.

Nein, die Gate-Source-Spannung ist von Bedeutung: sie bestimmt die
Menge des Wassers (also die Stromstärke).  Die bleibt, ab einer
bestimmten Drain-Source-Spannung nämlich konstant -- zumindest in den
unteren Strombereichen, wenn der Strom größer wird, macht sich dann
der Kanalwiderstand bemerkbar, bis die Kennlinie am Ende schließlich
eine rein ohmsche für den Kanalwiderstand ist.

Im unteren Bereich der Drain-Source-Spannung ist es auch der
Kanalwiderstand, der die Stromstärke bestimmt.  Ideal wäre das
Ausgangskennlinienfeld also ungefähr sowas wie im Anhang.  Real
hat man zwischen dem ohmschen Bereich von Rds und dem Konstantrom-
bereich, der von den verschiedenen Ugs abhängt, natürlich noch einen
kleinen Übergang.

Autor: P. N. (divb) Benutzerseite
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Hallo alle!

Vielen Dank mal für die Antworten! Darunter kann ich mir jetzt schon mal 
was vorstellen und mit meinen bisjetzigen Überlegungen kombinieren.

Was mir aber derzeit noch fehlt ist die Betrachtungsweise über 
Ladungsaustausch (d.h. nicht "simpel" über Spannung und Strom).

Verstehe ich das wie folgt richtig?

Im Normalbetrieb des nMOSFET wird ein Kanal zwischen Source und Drain 
aufgebaut. Der Kanal entsteht dadurch, dass eine positive Gatespannung 
angelegt wird. Dadurch wandern Elektronen (Minoritätsladungsträger) nach 
oben zum Oxid, rekombinieren dort mit den Löchern und es entsteht eine 
Verarmung an freien Ladungsträgern. Ab V_gate = V_th sind keine Löcher 
mehr zum Rekombinieren vorhanden und die zusätzlichen Elektronen stehen 
als freie Ladungsträger zu Verfügung und bilden einen Kanal zwischen 
Source und Drain (Inversion). Durch diesen kann nun ein Strom von Source 
nach Drain fliessen (prinzipiell auch umgekehrt).

Nun stellt man V_gate konstant ein (aber über V_th), legt Source auf 
Masse und variiert die Drainspannung (wodurch die Spannung zwischen 
Source und Drain variiert wird) und beobachtet den Drainstrom.

Der Kanal entspricht nun einem Widerstand. Man kann nun ein Potential an 
der Grenzschicht definieren das von y abhängt, V(y) das V_S bei der 
Source ist und V_D beim Drain und daraus ein elektrischen Feld ableiten, 
wodurch sich ein Strom ergibt, der allerdings über den Kanal konstant 
sein muss, der Drain-Strom I_D. Da man den Kanal in erster Näherung als 
Widerstand betrachten kann wächst der Drainstrom linear mit V_D.

Dadurch dass das Potential V(y) abhängig von der Position ist, wächst 
die Verarmungszone hin zum Drain und der darüber liegende 
Inversion-Kanal sieht "keilförmig" aus (ist also bei Source größer als 
bei Drain). Hier bin ich mir allerdings nicht sicher. Wieso ist das so?

Auf alle Fälle passiert es nun, dass V_D über eine bestimmte Spannung 
V_D_sat (Sättigungsspannung) erhöht wird. Dies geschieht, wenn die 
Gatespannung zu klein ist, um einen Inversionskanal neben dem Drain zu 
erstellen. Der "Keil" wird spitzer und die Spitze des Keils beim Drain 
erreicht den Drainanschluss nicht mehr wodurch der leitende Kanal 
(Inversion) zwischen Source und Drain unterbrochen ist. Das wird "pinch 
off" genannt oder der MOSFET ist in Sättigung.

Obwohl allerdings der Kanal nicht mehr besteht kann der Transistor immer 
noch leiten. Das Potential beim "pinch off" ist V_D_sat und der 
Spannungsabfall zum Drainanschluss ist V_D - V_D_sat. Dadurch ensteht 
ein elektrischen Feld zwischen dem pinch-off Punkt und dem 
Drainanschluss, wo Elektronen "rüberdriften" können. Wie oben 
geschrieben ist der Strom im Kanal aber konstant.

Daraus folgt dass der Strom auch konstant bleibt wenn die Drainspannung 
höher ist als V_D_sat. Der Drainstrom wird also unabhängig von der 
Drainspannung. Hier bin ich mir auch noch nicht ganz sicher: Wieso ist 
das eigentlich so?

Hab ich das so richtig verstanden?

Und nun noch einmal zur (unbeliebten) Wasseranalogie: Welcher Buchstabe 
(a,b,c) entspricht nun welchem Zustand?

Ich würd sagen:

a) V_D = 0V. Die Höhe des Kanals (entspricht Stromstärke im Kanal) ist 
durch die Gatespannung gegeben.
b) Nun wird der Drain langsam heruntergeschoben. Durch das Gefälle kommt 
es zu einer Beschleunigung und das Wasser rinnt schneller raus, je 
tiefer das Gefäss ist, allerdings nur so lange, bis der Wasserspiegel 
beide Behälter abdeckt (was wiederum abhängig ist von der Gatespannung)
c) Das Draingefäß wird nun so tief gestellt dass sich die Beschleunigung 
im Kanal nicht mehr auswirkt, das Wasser rinnt mit konstanter 
Geschwindigkeit raus.


Ich würde sehr dankbar sein wenn mir jemand sagen könnte ob ich das 
richtig verstanden habe (vor allem die Beschreibung mit den 
Ladungsträgern), Fehler ausbessern kann bzw. meine Unklarheiten erklären 
könnte :-)

Vielen Herzlichen Dank!

LG,
divB

Autor: Knut (Gast)
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Du kannst dir Sättigung wie eine Autobahn vorstellen:

Die Autos sind die freien Ladungsträger. Ist die Autobahn voll, sodass 
kein Auto mehr drauf passt, ist der Sättigungszustand erreicht. Mit der 
GS-Spannung kannst du die "Breite" der Autobahn bis zum Maximum 
verändern :-)

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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würde keine Sättigung eintreten, würde das Wasser mit einem unendlich 
hohen Durchfluss über das linke Gefäß nach rechts schwappen, wenn man 
das rechte Gefäß nur unendlich tief absenkt.

Autor: divB (Gast)
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@Kevin: Ja, aber dann haette man ja auch eine unendlich hohe 
Spannung...wie bei einem Widerstand halt.

Ich haette nochmal die Frage ob ich das mit dem Ladungstransport richtig 
verstanden habe. Vor allem wieso die Depletionzone und die 
Inversionszone keilartig aussieht (wie im Bild im Anhang).

Fuer die Depletionzone ist es mir noch irgendwie klar: An Drain ist ein 
hoeheres Potential, deswegen werden die Elektronen dort eher angezogen 
und deswegen ist die Depletionzone dort tiefer.

Aber wieso geht der Keil des Inversion-Kanals in die andere Richtung? 
Normalerweise muesste der Keil doch auch beim Drain groesser sein als 
bei der Source??

Und schliesslich nochmals die Schluesselfrage: Ich habe festgestellt 
(richtig?) dass
a) der Strom ueber den Kanal konstant sein muss
b) Spannungsabfall pinch-off --> drain: V_D - V_D_sat

Wieso folgt daraus dass V_D nie hoeher wird als V_D_sat ?

lg
divB

Autor: divB (Gast)
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(sorry, Bild im Anhang wurde vergessen)

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