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Schaltungen
Feldeffekt-Transistoren
  		        Plastik-Elektronik
 

Diser Teil der Schaltungstechnik beschäftigt sich mit Feldeffekttransistoren, soll eine Ergänzung zum Teil NAND/NOR sein,
aber auch ein völlig neues Gebiet der Schaltungstechnik öffnen.

Zunächst einmal ein paar Beschreibungen zu Feldeffekttransistoren, kurz FET.

FET's sind unipolare Transistoren, zur Steuerung des Stromflusses werden keine pn-Übergänge gebraucht, sondern durch elektrische Felder in einem Stromflusskanal freie Ladungsträger reduziert oder hinzugefügt. Sind viele Ladungsträger vorhanden, kann der Strom nahezu ungebremst fließen, werden hingegen alle Ladungsträger beseitigt, fließt kein Strom mehr.

    Man kann das Verfahren sehr gut mit der Steuerung eines Wasserflusses im Rohr vergleichen.
R-Timmi links zeigt wie es geht (links).
Wird die Dichtscheibe in das Rohr gesteckt, fließt nichts mehr. Es gibt natürlich auch jede Menge Zwischenstufen beim Schließen des Rohres, das wurde nicht dargestellt.

Erste Übersicht zu Feldeffekttransistoren

    Ähnlich wie beim Wasserrohr braucht man zum Leiten des Stromes ein leitfähiges Material. Kupfer ist sicher die erste Wahl, aber die Anzahl der freien Ladungsträger läßt sich hier kaum verändern.
Man nimmt besser ein Material was zwischen Leiter und Nichtleiter steht, einen Halbleiter und generiert durch gezielte Verunreinigungen, einen Leiter mit ausreichenden freien Ladungsträgern, deren Konzentration je nach Bedarf verändert werden kann, also eine Steuerung der Leitfähigkeit.
Ladungsträger können Elektronen oder positive Teile sein. Negative Ladungsträger erreicht man z.B. durch Verunreinigung des Siliziums mit Phosphor, positive z.B. mit Aluminium, einen neutralen Ladungsträger kann man nicht erzeugen.
Damit ergeben sich schon mal die zwei Arten der Leitung: p-Kanal (pos. Ladungsträger) und n-Kanal (neg.LT) FET.
Die zweite Einteilung ist eine Konstruktionsfrage: die maximale Anzahl der Ladungsträger ist beim Einschalten vorhanden, kann also nur noch reduziert (verarmt) werden, bzw. keine Ladungsträger, werden erzeugt (angereichert).

Die nächste Frage ist, wie so ein Teil aufgebaut ist und wie wird gesteuert?

        Die Isolierschicht FET waren wohl die ersten in der Entwicklung. Wie der Name sagt, wurde die Steuerelektrode isoliert auf dem Kanal aufgebracht, isoliert wurde z.B. mit Oxid, dann wurden daraus die Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Daraus folgt aber, dass nicht mit einem pn-Übergang gesteuert werden kann. Es wird ein elektrisches Feld zwischen der Steuerelektrode GATE und dem Kanal BULK aufgebaut was den Fluß der Ladungsträger steuern kann.
Im zweiten Bild ist zu sehen, dass sich ein leitender Kanal zwischen SORCE (Quelle) und DRAIN (Senke) gebildet hat.

Bisher war es gegenüber der Darstellung unter dem Teil NAND/NOR nichts wesentlich Neues, sondern eher eine Wiederholung.
In der folgenden Zeit gab es jedoch eine weitere Entwicklung zu Feldeffekttransistoren, die Sperschicht-Feldeffekttransistoren JFET (Junktion-FET).


    Das Prinzip der Arbeitsweise hat sich nicht geändert, es gibt weiterhin ein Leitungskanal, der durch die GATE-Steuerung in der Leitfähigkeit verändert werden kann. Der entscheidende Unterschied zu den MOSFET ist, dass das GATE, bzw. die 2 GATEs nicht isoliert am Kanal angebracht sind, sondern ähnlich einem pn-Übergang mit diesem Verbunden sind. Je nach Ansteuerung der GATEs bildet sich im Kanal eine Sperrschicht aus (wie beim pn-Übergang beim Betreiben in Sperrrichtung) Je nach Größe der GATE-Spannung werden dadurch die Ladungsträger in diesem Bereich reduziert, der Strom im Kanal wird kleiner.    

Dass das so funktioniert zeigt die folgende Schaltung:
Entnommen aus:
"Adventskalender 2019 Elektronik Franzis Verlag GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, 85540 Haar
Autor: Burkhard Kainka "
Es wird der pn-Übergang zwischen GATE und SOURCE genutzt - die LED leuchtet. Solche Schaltung geht natürlich nicht mit MOSFETs. 		   

Soweit der Stand der Technik, aber die Wissenschaft denkt schon über weitere Dinge nach!

    In der Zukunft könnte es sein, dass es eine oder mehrere weitere Feldeffekttransistoren-Arten gibt - eine Sorte sind die OFETs! Das "O" steht für organisch.

Was bedeutet "organisch"?
Das hat nichts mit Organen von Menschen oder Tieren zu tun, es ist ein aus der Chemie abgeleiter Begriff. Da kennt man die Organische und die Anorganische Chemie, Teile der verwendeten Werkstoffe für die OFETs entstammen der organischen Chemie und deren Verbindungen.
Das ist auch deshalb sehr interessant, da diese Materialien auch in anderen elektronischen Produkten genutzt werden könnten, z.B. LEDs (OLEDs gibt es wohl schon), Displays, Solarzellen, organische Speicher usw. Der Vorteil ist, man kann den Einsatz von Silizium und seltenen Erden reduzieren, die Produkte haben neue Eigenschaften, z.B.leicht und biegsam.
nach Wikipedia
"
1976 entdeckten Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid und Alan Heeger (Chemienobelpreis 2000) bei mit Chlor bzw. Brom oxidiertem Polyacetylen eine um den Faktor 109 erhöhte Leitfähigkeit (also auf 103 S/cm). Die organischen Stoffe kamen damit in Bereiche der Leitfähigkeit, die sonst nur bei Halbleitern bzw. Metallen vorliegen (Kupfer: 106 S/cm). Dieser Effekt war bis dahin völlig unbekannt, denn alle Polymere galten bis dahin als Isolatoren."

Aufbau OFETs

    Vom Prinzip her entspricht der Aufbau dem von MOSFETs
nach Wikipedia:
"
Wie anorganische Feldeffekttransistoren besitzen auch OFETs die drei Anschlüsse Source, Gate und Drain. Meist werden sie, ähnlich MOSFETs, als Dünnschichttransistor gefertigt, in dem die halbleitende Schicht nur wenige Nanometer dick ist. Wie bei MOSFETs ist auch bei organischen Dünnschichttransistoren das elektrische Potential des Substrates (bulk) wichtig und ist analog zu diesen als vierter Anschluss zu sehen.
Als halbleitende Schicht kommen verschiedene organische Materialien infrage. So kommen sowohl Polymere und Oligomere (z. B. Poly(3-Hexylthiophen)) als auch kleine Moleküle (engl. small molecules) wie z. B. Pentacen, Tetracen zum Einsatz. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass auch Naturstoffe wie Indigoide oder Anthrachinone in Feldeffekttransistoren eingesetzt werden können.
"

Es gibt bereits ein neues Fachgebiet zur Nutzung organischen Materials in der Elektrotechnik:

    Organische Elektronik (Plastikelektronik)

Auch auf dem Gebiet der Speichertechnik, Speicherung von elektrischer Energie, gibt es starke Bemühungen, organische Materialien einzusetzen. Ein Ergebnis ist z.B. die
    Redox-Flow-Batterie
Dieser Stromspeicher arbeitet mit flüssigen Elektrolyten, die z.B. aus Lignin hergestellt werden – einem Naturprodukt, das in einer Größenordnung von Millionen Tonnen, die jährlich bei der Papierherstellung übrig bleiben (z.Z. wird es einfach verbrannt).

Für die Batterie im Haushalt ist das Teil jedoch noch nicht geeignet, aber man arbeiet daran!


Batterien aus Holz – neue Speicher für Wind- und Sonnenstrom
klingt völlig unsinnig, aber Lignin ist wohl in jeder Pflanze vorhanden, auch im Holz!

Redox-Flow ist eine chemische Lösung zum Energiespeichern. In der „Organic“-Version kann sie nachhaltig sein!

    Man kann so ein Teil schon kaufen!
12VDC, 7Ah, 97,35€