Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET mit geringen Leckströmen in Gate und Drain


von wosnet (Gast)


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Hallo zusammen,

ich bin auf der Suche nach n- und p-Kanal-MOSFETs mit geringen und 
definierten Leckströmen an Gate (I_GSS) und Drain (I_DSS).
Zielwert für beides wäre weniger als 10nA.
Ein Logik-Level-FET wäre wünschenswert, bei VGS=3.3V sollten mind. 100mA 
fließen können. Rds,on wäre idealerweise im Bereich 1 Ohm oder kleiner.
Betriebstemperatur der Schaltung wird immer unter 40°C liegen.
Die Transistoren werden mit Pulsen beschaltet, die etwa 10-100ns 
Pulsdauer haben. Damit fallen typische Low-Leakage-Analogschalter leider 
auch weg.

Aktuell verwende ich die Typen DMP21D0UT sowie DMG1012T. Dort gibt es im 
Datenblatt Diagramme der Leckströme über Spannung (VGS oder VDS) und 
Temperatur. Das ist leider bei den wenigsten FET-Datenblättern der Fall, 
aber vielleicht kennt jemand noch andere Typen wo das auch angegeben 
wird.
Für meinen Betriebsbereich wären bei diesen Typen Leckströme im Bereich 
40-100nA zu erwarten.

In früheren Threads wurden Typen von Advanced Linear Devices (ALD) 
empfohlen, diese haben sehr geringe Leckströme, aber die erreichbaren 
Drainströme sind zu gering für meine Anwendung.

Anwendung ist der testweise Aufbau eines synchronen Boost-Wandlers für 
Energy Harvesting gemäß diesem Paper:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25983340/
Mit o.g. Typen funktioniert die Schaltung, allerdings mit etwa 40nA 
Leckströmen in Summe. Das ist mir etwas zu viel.

vielen Dank im Voraus für Eure Vorschläge!

von Michael B. (laberkopp)


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wosnet schrieb:
> Anwendung ist der testweise Aufbau eines synchronen Boost-Wandlers für
> Energy Harvesting

Ist doch eigentlich wurscht: wenn du nicht sowieso einen 
mikrometerkleinen Chip baust, ist eine Batterie die 5nW liefert bei 10 
und auch bei 100 Jahren Laufzeit immer noch kleiner, als deine 
Schaltung.

Spar dir also das Harvesting, nimm Batterien (unter der nicht mal in 100 
Jahren verbrauchten 9mAh wird schwierig, aber einfach als sich einen 
Chip herstellen zu lassen).

von LDR (Gast)


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wosnet schrieb:
> ich bin auf der Suche nach n- und p-Kanal-MOSFETs mit geringen und
> definierten Leckströmen an Gate (I_GSS) und Drain (I_DSS).
> Zielwert für beides wäre weniger als 10nA.
> Ein Logik-Level-FET wäre wünschenswert, bei VGS=3.3V sollten mind. 100mA
> fließen können. Rds,on wäre idealerweise im Bereich 1 Ohm oder kleiner.

Eine eierlegende Wollmilchsau.

von wosnet (Gast)


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> Ist doch eigentlich wurscht: wenn du nicht sowieso einen
> mikrometerkleinen Chip baust, ist eine Batterie die 5nW liefert bei 10
> und auch bei 100 Jahren Laufzeit immer noch kleiner, als deine
> Schaltung.

> Spar dir also das Harvesting, nimm Batterien (unter der nicht mal in 100
> Jahren verbrauchten 9mAh wird schwierig, aber einfach als sich einen
> Chip herstellen zu lassen).

Danke, aber wie im verlinkten Paper beschrieben, soll die Spannung am 
Eingang nicht aus einer Batterie kommen und es geht auch nicht darum, 
irgendeine Batterielaufzeit zu verlängern...
Es wird auch kein Chip, sondern ein diskreter Aufbau, daher die Frage 
nach off-the-shelf-Transistoren.

von MOSFET (Gast)


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BSP125 sind bei 25° und 600 V mit max. 100 nA I_DSS spezifiziert.

Sind leider auch nicht so ganz "logic level"

von Michael B. (laberkopp)


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wosnet schrieb:
> wird auch kein Chip, sondern ein diskreter Aufbau, daher die Frage nach
> off-the-shelf-Transistoren.

Eben drum ist die Batterielösung kleiner.

Nimm JFETs.

Aber merke dir: harvesting ist Unsinn, wenn die Leistung so gering ist, 
dass es eine Batterie tut.

von LDR (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Aber merke dir: harvesting ist Unsinn, wenn die Leistung so gering ist,
> dass es eine Batterie tut.

Demnächst wird wieder einer das thermische Rauschen gleichrichten 
wollen...

von wosnet (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Eben drum ist die Batterielösung kleiner.
>
> Nimm JFETs.
>
> Aber merke dir: harvesting ist Unsinn, wenn die Leistung so gering ist,
> dass es eine Batterie tut.

Naja, es ist nur dann Unsinn, wenn man auch an die Batterie rankommt 
falls sie mal getauscht werden muss. Es gibt auch Anwendungen wo man die 
Batterie aus Sicherheitsgründen nicht haben möchte etc. etc. Größe des 
Designs spielt auch keine Rolle.
Wie auch immer. Es handelt sich um ein Experiment/Hobby/Spaß/Interesse. 
Dabei lässt sich ja über Sinn und Unsinn bekanntlich streiten, würde ich 
aber gern vermeiden um beim Thema zu bleiben.

Danke für den Tipp mit dem JFET, aber kannst Du denn einen konkreten 
JFET empfehlen mit den genannten Daten? Habe da auch schon recherchiert 
und bin auch an spezifizierten Leckströmen ebenso gescheitert wie bei 
MOSFETs.

LDR schrieb:
> Michael B. schrieb:
>> Aber merke dir: harvesting ist Unsinn, wenn die Leistung so gering ist,
>> dass es eine Batterie tut.
>
> Demnächst wird wieder einer das thermische Rauschen gleichrichten
> wollen...

Ist hier nicht so, da die Quelle im Gegensatz zu thermischem Rauschen, 
schon eine DC-Quelle ist. Siehe hier auch ein Artikel, wo die Schaltung 
aus dem verlinkten Paper sinnvoll verwendet wird: 
https://spectrum.ieee.org/using-the-inner-ears-biological-battery

von LDR (Gast)


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wosnet schrieb:
> Siehe hier auch ein Artikel, wo die Schaltung
> aus dem verlinkten Paper sinnvoll verwendet wird:
> https://spectrum.ieee.org/using-the-inner-ears-biological-battery

So kommt man in den USA an Geld für die Forschung.

Noch so ein Beispiel:

https://www.youtube.com/watch?v=QFMh2swdUh0

von H. Eggert (Gast)


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von Michael B. (laberkopp)


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wosnet schrieb:
> für den Tipp mit dem JFET, aber kannst Du denn einen konkreten JFET
> empfehlen mit den genannten Daten?

https://www.digchip.com/datasheets/download_datasheet.php?id=926375&part-number=SST4118

haben so 0.2pA, wegen des gut isolierenden Gehäuses.

Ausserdem sind Schaltungen gut aufbaubar die unter 1V laufen, weil ein 
JFET normally on ist (zum Sperren braucht er Spannung).

von LDR (Gast)


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Michael B. schrieb:
> wosnet schrieb:
>> für den Tipp mit dem JFET, aber kannst Du denn einen konkreten JFET
>> empfehlen mit den genannten Daten?
>
> 
https://www.digchip.com/datasheets/download_datasheet.php?id=926375&part-number=SST4118
>
> haben so 0.2pA, wegen des gut isolierenden Gehäuses.

Idss wird dem TE etwas mager erscheinen...

von Mike (Gast)


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Der statische Igss ist i.a. kein Problem und liegt bei normalen Mosfets 
und nicht zu hohen Temperaturen im nA-Bereich. Der 
Drain-Source-Leckstrom schon eher.
Kleiner RDSon und niedrige Leckströme widersprechen sich leider, denn 
niedriger RDSon bedeutet große Chipfläche und die hat nun mal einen 
hohen Leckstrom. Da käme höchstens Kühlen in Frage.

Ohne das Schaltungskonzept im Detail zu kennen, wundere ich mich, warum 
mit so kurzen Pulsen und entsprechend grossen Drainströmen gearbeitet 
wird. Allein das Umladen der Gate-Source-Kapazität benötigt bei Mosfets 
mit niedrigem RDSon typischerweise sehr große Ströme, die zu Verlusten 
führen.
Es wäre m.E. besser und einfacher, mit längeren Pulsen bei kleineren 
Strömen zu arbeiten und dazu Mosfets mit kleinerer Chipfläche zu 
verwenden.

von wosnet (Gast)


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Mike schrieb:
> Der statische Igss ist i.a. kein Problem und liegt bei normalen Mosfets
> und nicht zu hohen Temperaturen im nA-Bereich. Der
> Drain-Source-Leckstrom schon eher.
> Kleiner RDSon und niedrige Leckströme widersprechen sich leider, denn
> niedriger RDSon bedeutet große Chipfläche und die hat nun mal einen
> hohen Leckstrom. Da käme höchstens Kühlen in Frage.

Volle Zustimmung. Frage mich allerdings, wie das in Analogschaltern, 
z.B. ADG611, gemacht wird. Die schaffen 10-100pA Leckströme und haben 
zumindest um die 100Ohm RDSon.
Gibt es nicht vielleicht einen Kompromiss-Transistor zwischen meinem 
aktuellen Typen (DMP21D0UT, DMG1012T) mit einer Größenordnung geringeren 
Leckströmen und einer Größenordnung höherem RDSon?

> Ohne das Schaltungskonzept im Detail zu kennen, wundere ich mich, warum
> mit so kurzen Pulsen und entsprechend grossen Drainströmen gearbeitet
> wird. Allein das Umladen der Gate-Source-Kapazität benötigt bei Mosfets
> mit niedrigem RDSon typischerweise sehr große Ströme, die zu Verlusten
> führen.
> Es wäre m.E. besser und einfacher, mit längeren Pulsen bei kleineren
> Strömen zu arbeiten und dazu Mosfets mit kleinerer Chipfläche zu
> verwenden.

Die kurzen Pulse sind notwendig, um die Spule des Wandlers rasch genug 
zu entladen, um am Ausgang eine genügend hohe Spannung zu erhalten. Das 
ergibt sich aus dem Wandlungsverhältnis (<70mV am Eingang zu 1-2V am 
Ausgang). Die Parameter sind aber auch nicht total frei und unabhängig. 
Aus der Einschaltzeit des NMOS, der Spulengröße und der Periodendauer 
ergibt sich auch der Eingangswiderstand des Wandlers, welcher für 
maximale Effizienz ungefähr dem Quellenwiderstand entsprechen sollte.

LDR schrieb:
> Michael B. schrieb:
>> wosnet schrieb:
>>> für den Tipp mit dem JFET, aber kannst Du denn einen konkreten JFET
>>> empfehlen mit den genannten Daten?
>>
>>
> 
https://www.digchip.com/datasheets/download_datasheet.php?id=926375&part-number=SST4118
>>
>> haben so 0.2pA, wegen des gut isolierenden Gehäuses.
>
> Idss wird dem TE etwas mager erscheinen...

Leider ja, in diesem Fall könnte ich auch einen FET von ALD benutzen, 
die schaffen immerhin ein paar mA. Kennst Du eventuell noch andere 
Typen? Die Ansteuerung müsste ich auch stark anpassen für den JFET, das 
wäre aber machbar.

von Michael B. (laberkopp)


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wosnet schrieb:
> Die kurzen Pulse sind notwendig, um die Spule des Wandlers rasch genug
> zu entladen, um am Ausgang eine genügend hohe Spannung zu erhalten

Wer klug ist, nimmt daher einen Trafo. LTC3108.

von wosnet (Gast)


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Michael B. schrieb:
> wosnet schrieb:
>> Die kurzen Pulse sind notwendig, um die Spule des Wandlers rasch genug
>> zu entladen, um am Ausgang eine genügend hohe Spannung zu erhalten
>
> Wer klug ist, nimmt daher einen Trafo. LTC3108.

Haha ;-) Hab das Eval-Kit für den LTC3108 hier und gemessen.
Problem ist der geringe Eingangswiderstand des LTC3108 im Bereich 
weniger 10 Ohm (siehe Datenblatt S.4, linkes unteres Diagramm).

Ich habe aber eher hochohmige Quellen von einigen Kiloohm 
Innenwiderstand. Damit funktioniert der LTC3108 nicht (zumindest nicht 
mit Spannungen von einigen zehn Millivolt).
Da ist ein frei konfigurierbarer Boost im discontinuous conduction mode 
(mit über das Timing einstellbarem Eingangswiderstand) klüger.

Wie gesagt, ich habe die Schaltung bereits aufgebaut mit den genannten 
Transistortypen und sie funktioniert auch, selbst mit Quellen mit 1kOhm 
Eingangswiderstand.
Problem sind die relativ hohen Leckströme der Transistoren. Freue mich 
daher über Vorschläge zu Transistoren.

von LDR (Gast)


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wosnet schrieb:
> Problem sind die relativ hohen Leckströme der Transistoren.

Einfach auf -196°C abkühlen...

von Michael B. (laberkopp)


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wosnet schrieb:
> Da ist ein frei konfigurierbarer Boost im discontinuous conduction mode
> (mit über das Timing einstellbarem Eingangswiderstand) klüger.

Auch den kann man mit Trafo bauen.

Grundlagen der Elektrotechnik.

von Jester (Gast)


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wosnet schrieb:
> Wie auch immer. Es handelt sich um ein Experiment/Hobby/Spaß/Interesse.
> Dabei lässt sich ja über Sinn und Unsinn bekanntlich streiten, würde ich
> aber gern vermeiden um beim Thema zu bleiben.

In dem Fall würde ich mal über selektierte Exemplare nachdenken. Für 
Einzlestücke in og. "Spezial-Anwendungen" kann man das schon mal machen 
...

Beitrag #7329993 wurde vom Autor gelöscht.
von wosnet (Gast)


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Jester schrieb:
> In dem Fall würde ich mal über selektierte Exemplare nachdenken. Für
> Einzlestücke in og. "Spezial-Anwendungen" kann man das schon mal machen
> ...

Das ist ne sehr gute Idee, besten Dank! Ich schau mir mal an wie stark 
die Typen streuen bzgl. Leckströmen.

von Hartmut  . (rio71)


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wosnet schrieb:
> Ein Logik-Level-FET wäre wünschenswert, bei VGS=3.3V sollten mind. 100mA
> fließen können. Rds,on wäre idealerweise im Bereich 1 Ohm oder kleiner.
> Betriebstemperatur der Schaltung wird immer unter 40°C liegen.
> Die Transistoren werden mit Pulsen beschaltet, die etwa 10-100ns
> Pulsdauer haben.

da fiele mir nen 74AC14 ein.. zwei oder mehr gates parallel geschaltet 
hat man den gewünschten "bumms".. und der mosfet-treiber ist gleich mit 
drinn..
über die restlichen gewünschten bedingugen hab ich grad keine 
übersicht..
https://www.mouser.de/c/?q=74ac14

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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CD4007 bzw. als analog spezifiziert CA3600. BF862

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