Was ist ein MOSFET-Transistor?
MOSFET, kurz für Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ist ein elektronisches Bauteil, das häufig in elektronischen Schaltungen als Schalter oder Verstärker zur Steuerung des Flusses von Hochspannung und Hochstrom verwendet wird. Es handelt sich um einen Transistortyp, der aus einem Metallgate, einer Oxidschicht und einem Halbleiterkanal besteht.
Wer hat den MOSFET-Transistor erfunden?
1959 revolutionierten D. Kahng und Martin Atalla von Bell Labs die Welt der Elektronik mit ihrer Erfindung des MOSFET-Transistors. Diese bahnbrechende Erfindung ermöglichte die Miniaturisierung elektronischer Bauteile und ebnete den Weg für integrierte Schaltkreise und moderne Computer. Nicht nur die Erfindung selbst war revolutionär, auch der Entstehungsprozess war faszinierend.
Kahng und Atalla begannen ihre Forschungen zum MOSFET, indem sie zunächst die Eigenschaften von Metalloxid-Halbleiter-Strukturen (MOS) untersuchten. Mithilfe einer Technik namens chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gelang es ihnen, eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid auf ein Siliziumsubstrat aufzubringen. Diese Siliziumdioxidschicht fungierte als Isolator zwischen den beiden leitenden Schichten der MOS-Struktur.
Der nächste Schritt in diesem Prozess war die Herstellung des MOSFET. Durch Einbringen eines Dotierungsmittels in die Isolierschicht gelang es Kahng und Atalla, einen Kanal zwischen den beiden leitenden Schichten zu schaffen. Dieser Kanal wurde dann mit einem Gate verbunden, wodurch bei Auslösung Strom durch den MOSFET fließen konnte. Dadurch war es möglich, den Stromfluss durch den Transistor mit einer Spannungseingabe zu steuern.
Schließlich testeten Kahng und Atalla ihre Erfindung, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionierte. Sie stellten fest, dass der MOSFET in der Lage war, den Strom schnell ein- und auszuschalten, was ihn ideal für den Einsatz in Computern und anderen elektronischen Geräten machte. Dank ihrer Forschung und ihrer harten Arbeit ist der MOSFET-Transistor zu einem festen Bestandteil der modernen Elektronik geworden.
MOSFET-Struktur
Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) besteht aus einem Metallgate, einer Oxidschicht und einem Halbleiter, wobei die Oxidschicht in der Regel aus Siliziumdioxid besteht. Das Gate-Material wird in der Regel durch polykristallines Silizium anstelle von Metall ersetzt. Die Struktur bildet einen Kondensator, wobei die Oxidschicht als Dielektrikum dient und die Kapazität durch die Dicke der Oxidschicht und die Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid bestimmt wird. Das polykristalline Siliziumgate und der Siliziumhalbleiter bilden die beiden Anschlüsse des MOS-Kondensators. Zusätzlich zur Kondensatorstruktur umfasst eine vollständige MOSFET-Struktur eine Source und einen Drain, um Majoritätsladungsträger bereitzustellen bzw. aufzunehmen.
MOSFET-Schaltzeichen
Das Schaltzeichen für MOSFET-Transistoren, die häufig in elektronischen Schaltungen verwendet werden, besteht aus einer vertikalen Linie, die den Kanal darstellt, zwei parallelen Linien neben dem Kanal, die die Source und den Drain darstellen, und einer senkrechten Linie auf der linken Seite, die das Gate darstellt. Die Kanallinie kann auch durch eine gestrichelte Linie dargestellt werden, um zwischen MOSFETs im Anreicherungsmodus und im Verarmungsmodus zu unterscheiden.
MOSFET-Transistoren sind Bauelemente mit vier Anschlüssen, bestehend aus Source, Drain, Gate und Bulk- oder Body-Anschlüssen. Die Richtung des Pfeils, der vom Kanal zum Bulk-Anschluss verläuft, gibt an, ob es sich um einen p-Typ- oder n-Typ-MOSFET handelt, wobei der Pfeil immer von der P-Seite zur N-Seite zeigt. Wenn der Pfeil vom Kanal zum Gate zeigt, handelt es sich um einen p-Typ-MOSFET oder PMOS, während die entgegengesetzte Richtung einen n-Typ-MOSFET oder NMOS darstellt. In integrierten Schaltungen wird der Bulk-Anschluss üblicherweise gemeinsam genutzt, sodass seine Polarität nicht angegeben wird, während der Gate-Anschluss des PMOS häufig mit einem Kreis versehen wird, um ihn vom NMOS zu unterscheiden.
Wie funktioniert ein MOSFET-Transistor?
Das grundlegende Funktionsprinzip eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) besteht darin, die Bildung und Leitfähigkeit eines Kanals durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode zu steuern und dadurch den zwischen der Drain- und der Source-Elektrode fließenden Strom zu regulieren. Der MOSFET besteht aus drei Elektroden: Gate, Source und Drain. Zwischen der Gate- und der Source-Elektrode befindet sich eine isolierende Oxidschicht, unter der sich auf der Halbleiteroberfläche der Kanal bildet.
Wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, werden die Löcher in der Halbleiteroberfläche unterhalb des Gates abgestoßen, wodurch eine negativ geladene Inversionsschicht entsteht. Die Inversionsschicht hat eine höhere Elektronenkonzentration als die Lochkonzentration und bildet eine n-leitende Schicht, die als Kanal bezeichnet wird. Wenn eine Spannung zwischen Drain und Source angelegt wird, fließt Strom durch den Kanal zum Drain. Die Leitfähigkeit und Ladungsdichte des Kanals können durch die Größe und Polarität der Gate-Spannung moduliert werden, wodurch der MOSFET als steuerbarer Stromschalter fungieren kann.
Arten von MOSFETs
Je nach Polarität ihres Kanals lassen sich MOSFET-Transistoren unterteilen in: N-Kanal-MOSFET und P-Kanal-MOSFET. Darüber hinaus lassen sie sich je nach Gate-Spannungsamplitude unterteilen in: Verarmungstyp und Anreicherungstyp.
N-Kanal-MOSFET mit Anreicherung
Ein N-Kanal-Enhancement-MOSFET wird häufig in elektronischen Schaltungen zum Schalten und Verstärken verwendet. Er wird als Enhancement-MOSFET bezeichnet, da er eine positive Spannung am Gate benötigt, um den Kanal zu aktivieren, und als N-Kanal, da er einen negativen Ladungsträgertyp aufweist.
N-Kanal-Verarmungs-MOSFET
Ein N-Kanal-Depletion-MOSFET besteht aus Schichten halbleitender Materialien, die mit bestimmten Verunreinigungen dotiert wurden, um einen stromführenden Kanal zu schaffen. Der Kanal ist bereits ausgebildet, wenn keine Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird. Das bedeutet, dass sich der MOSFET im „Depletion”-Modus befindet, wenn keine Spannung angelegt wird. Wenn eine Spannung an das Gate angelegt wird, verringert sich der Depletion-Bereich, sodass Strom durch den Kanal fließen kann.
P-Kanal-Verstärkungs-MOSFET
Ein P-Kanal-Enhancement-MOSFET ist ein MOSFET-Typ, der ein P-Kanal-Substrat verwendet, um den Elektronenfluss zwischen Source- und Drain-Anschluss zu ermöglichen. Wenn eine Spannung an den Gate-Anschluss eines P-Kanal-Enhancement-MOSFET angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das positiv geladene Löcher (im Gegensatz zu negativ geladenen Elektronen in einem N-Kanal-MOSFET) zum Kanal anzieht, sodass Strom zwischen Source- und Drain-Anschluss fließen kann.
P-Kanal-Verarmungs-MOSFET
Ein P-Kanal-Depletion-MOSFET steuert den Fluss negativer Ladungsträger (Elektronen) in einem Halbleiterkanal. Im Gegensatz zu N-Kanal-MOSFETs, die mit einem positiv geladenen Gate ausgestattet sind, das negative Ladungsträger anzieht, verfügen P-Kanal-MOSFETs über ein negativ geladenes Gate, das positive Ladungsträger (Löcher) abweist. In einem Verarmungs-MOSFET wird der Halbleiterkanal mit Verunreinigungen dotiert, die einen Verarmungsbereich erzeugen, der als Widerstandsschranke für den Stromfluss wirkt. Durch Anlegen einer Spannung an das Gate kann der Verarmungsbereich verbreitert oder verengt werden, wodurch der Stromfluss durch den Kanal gesteuert wird.
Wo wird MOSFET verwendet?
Halbleiterbauelemente, die als MOSFET-Transistoren bekannt sind, werden in Automobil-, Industrie- und Kommunikationssystemen in großem Umfang eingesetzt. Im Bereich der Automobilelektronik dienen Leistungs-MOSFET-Transistoren als gängige Schaltbauelemente in elektronischen Steuergeräten und Stromrichtern für moderne Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus können MOSFET-Transistoren auch als Schalter oder Verstärker in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Stromversorgungen, Motorsteuerungen, Spannungsreglern, Mikrocontrollern, digitalen Logikschaltungen und Audioverstärkern.
Konkret können MOSFET-Transistoren in Computer- und Fernsehstromversorgungen verwendet werden, um Hochspannungs-Wechselstrom in Niederspannungs-Gleichstrom umzuwandeln, in Motorsteuerungsschaltungen, um die Drehzahl von Motoren zu regeln, in Audioverstärkern, um Signale mit niedrigem Pegel auf Signale mit hohem Pegel zu verstärken, und in Solarwechselrichtern, wo sie häufig verwendet werden, um den von Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für den privaten und gewerblichen Gebrauch umzuwandeln.
In den letzten Jahren werden mit der Verbesserung der Leistung von MOSFET-Transistoren neben dem Bereich der digitalen Signalverarbeitung (wie Mikroprozessoren und Mikrocontroller) auch immer mehr integrierte Schaltungen für die analoge Signalverarbeitung mit MOSFET-Transistoren ausgestattet. In digitalen Schaltungen werden MOSFET-Transistoren hauptsächlich in komplementären Metalloxid-Halbleiter-Logikschaltungen verwendet, die fast keinen statischen Leistungsverlust aufweisen und Strom und Energieverbrauch einsparen können. In CMOS-Logikschaltungen müssen jeder Logikgattertreiber und jede Stufe der Logikgatter nur mit dem gleichen MOSFET-Transistorgatter verbunden werden, wodurch sie leichter anzusteuern sind. In analogen Schaltungen wurden einige Leistungsparameter von MOSFET-Transistoren im Schaltungsdesign erheblich verbessert, wie z. B. Transkonduktanz, Stromtreiberkraft und Rauschen. Daher werden MOSFET-Transistoren heute häufig in analogen Schaltungen wie Verstärkern, Filtern, Oszillatoren, Leistungsverstärkern und Schaltnetzteilen eingesetzt.
MOSFET vs. BJT
Es gibt viele Unterschiede zwischen dem MOSFET-Transistor und dem BJT-Transistor. Hier ist eine Vergleichstabelle für beide.
| Nr. | Merkmal | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistortyp | Bipolartransistor | Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor |
| 2 | Bauarten | NPN und PNP | P-Kanal und N-Kanal |
| 3 | Anschlüsse | Basis, Emitter, Kollektor | Gate, Source, Drain |
| 4 | Schaltzeichen |  |  |
| 5 | Ladungsträger | Elektronen und Löcher sind an der Leitung beteiligt | Die Kanalleitung erfolgt je nach Kanaltyp durch Elektronen oder Löcher |
| 6 | Ansteuerung | Basis-Emitter-Ansteuerung mit dauerhaftem Basisstrom | Gate-Source-Spannung; Stromimpulse laden und entladen das Gate |
| 7 | Ansteuerstrom | Der Basisstrom hängt von Kollektorstrom, Verstärkung und Schaltbedingungen ab | Geringer Gleichstrom-Leckstrom; dynamischer Gatestrom hängt von Gateladung und Schaltfrequenz ab |
| 8 | Schaltgeschwindigkeit | Abhängig von Bauteil und Schaltung; gespeicherte Ladung kann das Abschalten verzögern | Abhängig von Bauteil und Schaltung; Gateladung, Treiber und Verluste begrenzen die nutzbare Frequenz |
| 9 | Eingangsimpedanz | Abhängig von Ruhestrom und Schaltung | Hoher Eingangswiderstand bei Gleichstrom; beim Schalten ist die Gatekapazität wichtig |
| 10 | Ausgangsimpedanz | Abhängig von Betriebsbereich, Arbeitspunkt und Schaltungstopologie | Abhängig von Betriebsbereich, Arbeitspunkt und Schaltungstopologie |
| 11 | Temperatur und Parallelschaltung | Parallele BJTs erfordern Stromaufteilung und thermische Analyse | Bei vollständig geöffnetem Kanal steigt der Einschaltwiderstand meist mit der Temperatur; parallele Bauteile benötigen dennoch eine Stromaufteilungsanalyse |
| 12 | Verlustleistung | Leit-, Basisansteuer- und Schaltverluste bei tatsächlicher Last bewerten | Heißwiderstand, Gateansteuer- und Schaltverluste bei tatsächlicher Last bewerten |
| 13 | Frequenzverhalten | Bandbreiten- und Schaltdaten des Datenblatts am vorgesehenen Arbeitspunkt verwenden | Bandbreiten- und Schaltdaten des Datenblatts am vorgesehenen Arbeitspunkt verwenden |
| 14 | Verstärkungsparameter | hFE hängt von Kollektorstrom, Temperatur und Bauteil ab; angegebene Prüfbedingungen beachten | Keine Bewertung über den BJT-Stromverstärkungsfaktor; Steilheit, Gateladung und Einschaltwiderstand vergleichen |
| 15 | Sicherer Arbeitsbereich | SOA des Bauteils einschließlich der Grenzen des sekundären Durchbruchs prüfen | SOA des Bauteils prüfen; im Linearbetrieb sind lokale Überhitzung und thermische Instabilität möglich |
| 16 | ESD-Schutz | ESD-Handhabungsvorgaben des gewählten Bauteils einhalten | ESD-Handhabungsvorgaben des gewählten Bauteils einhalten |
| 17 | Kostenvergleich | Nennwerte, Gehäuse, Stückzahl und Ansteuerkosten vergleichen | Nennwerte, Gehäuse, Stückzahl und Ansteuerkosten vergleichen |
| 18 | Typische Anwendungen | Analogverstärker, Oszillatoren, Stromquellen und Schaltstufen | Je nach Bauteil Schaltwandler, Motorantriebe, Lastschalter und Analogschaltungen |
MOSFET-Schaltung vor dem Prototypenbau prüfen
Eine MOSFET-Schaltung ist mit der tatsächlichen Gate-Ansteuerspannung, dem Laststrom, der Schaltfrequenz und der Temperatur zu bewerten. Die Schwellenspannung VGS(th) kennzeichnet nur den Beginn eines kleinen Prüfstroms; sie belegt keine vollständige Durchsteuerung. Verwenden Sie den im Datenblatt nahe Ihrer Gate-Spannung spezifizierten RDS(on) und schätzen Sie Leit- sowie Schaltverluste.
- Gate: Pull-down oder Pull-up hält das Bauteil beim Reset aus; der Gate-Widerstand begrenzt Schwingen und Übergangsgeschwindigkeit.
- Source-Bezug: Gate-Source-Spannung des Treibers besonders bei High-Side-Schaltungen prüfen.
- Thermik: Verlustleistung mit heißem Widerstand und verfügbarer Kupferfläche oder Kühlung berechnen.
- Induktive Last: geeignete Freilaufdiode, Klemme oder Snubber mit ausreichender Energiebelastbarkeit vorsehen.
- Layout: Gate-Schleife und geschaltete Stromschleife kurz sowie getrennt führen.
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