MOSFET: Typen, Funktionsprinzipien und Anwendungen

Was ist ein MOSFET?

Ein MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein Typ von Transistor, der in elektronischen Geräten und integrierten Schaltkreisen weit verbreitet ist. Es handelt sich um ein Gerät mit drei Anschlüssen, das den Stromfluss zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen mithilfe eines elektrischen Felds steuert, das durch die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung erzeugt wird. Die Struktur eines MOSFET besteht aus einem Halbleiterkanal, der normalerweise aus Silizium besteht und die Source- und Drain-Anschlüsse verbindet. Der Kanal ist durch eine dünne Schicht aus Isoliermaterial, normalerweise Siliziumdioxid (SiO2), vom Gate-Anschluss getrennt. Diese Isolierschicht wird allgemein als Gate-Oxid bezeichnet. Die Funktionsweise eines MOSFET basiert auf dem Prinzip eines Feldeffekttransistors. Wenn eine Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird, erzeugt dies ein elektrisches Feld, das die Leitfähigkeit des Kanalbereichs moduliert. Der MOSFET hat drei verschiedene Betriebsmodi: Abschaltung, Triode und Sättigung. Im Abschaltungsmodus fließt kein Strom zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen, da der Kanal effektiv ausgeschaltet ist. Wenn eine Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird und eine bestimmte Schwellenspannung überschreitet, wechselt der MOSFET in den Triodenmodus. In diesem Modus leitet der Kanal Strom und die Strommenge ist proportional zur Gate-Source-Spannung. Wenn die Gate-Source-Spannung schließlich hoch genug ist, wechselt der MOSFET in den Sättigungsmodus. In der Sättigung ist der Kanal vollständig verstärkt und der MOSFET weist seine maximale Strombelastbarkeit auf. MOSFETs werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Verstärker, Schalter, Spannungsregler, Speicherzellen und Mikroprozessoren. Sie bieten Vorteile wie hohe Schaltgeschwindigkeiten, geringen Stromverbrauch, geringe Größe und hohe Eingangsimpedanz, was sie zu unverzichtbaren Komponenten in modernen elektronischen Systemen macht.

Typen von MOSFET-Transistoren

Es gibt mehrere Typen von MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), die jeweils für bestimmte Anwendungen und Betriebseigenschaften entwickelt wurden. N-Kanal-MOSFET: Dieser MOSFET-Typ hat einen N-Kanal zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen. Er leitet Strom, wenn eine positive Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird. P-Kanal-MOSFET: Im Gegensatz zu N-Kanal-MOSFETs haben P-Kanal-MOSFETs einen P-Kanal. Sie leiten Strom, wenn eine negative Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird.

Abbildung 1 N-Kanal-MOSFET & P-Kanal-MOSFET   Leistungs-MOSFET: Leistungs-MOSFETs sind für hohe Leistungen ausgelegt und werden häufig in Leistungselektronikanwendungen wie Motorantrieben, Stromversorgungen und Audioverstärkern verwendet. Sie haben einen niedrigen Einschaltwiderstand und sind für effizientes Schalten optimiert.

Abbildung 2 Power MOSFET Enhancement Mode MOSFET (E-MOSFET): Der häufigste MOSFET-Typ. Er benötigt eine positive Spannung am Gate, um den leitenden Kanal zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen zu erzeugen. Bei fehlender Gate-Spannung bleibt er im Sperrmodus.

Abbildung 3 Enhancement Mode Depletion Mode MOSFET (D-MOSFET): Im Gegensatz zu Enhancement Mode MOSFETs sind Depletion Mode MOSFETs ohne Gate-Spannung normalerweise eingeschaltet. Durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gate wird der Kanal ausgeschaltet und der MOSFET in den Cutoff-Modus versetzt.

Abbildung 4 Depletion Mode   Kleinsignal-MOSFET: Kleinsignal-MOSFETs sind für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und hohen Frequenzen wie Audioverstärker, HF-Schaltungen und Signalverarbeitung konzipiert. Sie haben eine geringe Verlustleistung und sind für die Kleinsignalverstärkung optimiert.

Abbildung 5 Small-Signal MOSFET LDMOS (Laterally Diffused MOSFET): LDMOS ist ein spezieller MOSFET, der in Hochleistungs-HF-Anwendungen wie Mobilfunk-Basisstationen und drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet wird. Er bietet eine hohe Belastbarkeit und geringe Verzerrung. UMOS (Trench MOSFET): UMOS oder Trench MOSFETs haben eine vertikale Struktur mit einem in das Siliziumsubstrat geätzten Graben. Dieses Design ermöglicht eine höhere Zelldichte und einen geringeren Einschaltwiderstand im Vergleich zu planaren MOSFETs. Sie werden häufig in Energiemanagementanwendungen eingesetzt.  

Wie funktioniert ein MOSFET?

Ein MOSFET ist ein Halbleitergerät mit drei Anschlüssen, das den Stromfluss zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen mithilfe eines elektrischen Felds steuert, das durch die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung erzeugt wird. Sehen wir uns die Funktionsweise eines MOSFET genauer an:

Aufbau

Ein MOSFET besteht aus einem Halbleiterkanal, normalerweise aus Silizium, der die Source- und Drain-Anschlüsse verbindet. Der Kanal ist vom Gate-Anschluss durch eine dünne Isolierschicht getrennt, normalerweise Siliziumdioxid (SiO2), das sogenannte Gate-Oxid. Auf dem Gate-Oxid bildet ein leitfähiges Material, normalerweise ein Metall oder hochdotiertes Polysilizium, die Gate-Elektrode.

Betriebsmodi

Der MOSFET arbeitet in drei verschiedenen Modi: Cutoff, Triode und Sättigung. Cutoff-Modus: In diesem Modus ist der MOSFET ausgeschaltet und es fließt kein Strom zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen. Der Kanal fungiert als Isolator und verhindert den Fluss von Elektronen. Triodenmodus (linearer Bereich): Wenn eine Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird, erzeugt dies ein elektrisches Feld, das Ladungen im Kanal anzieht oder abstößt und einen leitenden Pfad bildet. Im Triodenmodus arbeitet der MOSFET als variabler Widerstand und der zwischen Quelle und Abfluss fließende Strom ist proportional zur Gate-Spannung. Der MOSFET ist nicht vollständig verstärkt und der Kanal ist nicht vollständig leitend. Sättigungsmodus: Wenn die Gate-Spannung weiter ansteigt, wechselt der MOSFET in den Sättigungsmodus. In diesem Modus ist der Kanal vollständig verstärkt und der MOSFET fungiert als Schalter mit niedrigem Widerstand. Er lässt einen maximalen Stromfluss zwischen den Quellen- und Abflussanschlüssen zu.

Gate-Steuerung

Der Gate-Anschluss des MOSFET steuert seinen Betrieb. Wenn eine positive Spannung (für einen N-Kanal-MOSFET) oder eine negative Spannung (für einen P-Kanal-MOSFET) in Bezug auf den Quellenanschluss an den Gate-Anschluss angelegt wird, wird über dem Gate-Oxid ein elektrisches Feld aufgebaut. Dieses elektrische Feld erzeugt einen Kanal im Halbleitermaterial, wodurch Strom zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen fließen kann. Bei einem N-Kanal-MOSFET: Wenn eine positive Spannung (logisch hoch) an das Gate angelegt wird, stößt es die negativ geladenen Elektronen im Kanal ab, wodurch ein leitfähiger Pfad entsteht. Wenn eine Nullspannung (logisch niedrig) an das Gate angelegt wird, bleibt der Kanal nichtleitend und der MOSFET wird ausgeschaltet. Bei einem P-Kanal-MOSFET: Wenn eine negative Spannung (logisch niedrig) an das Gate angelegt wird, stößt es die positiv geladenen Löcher im Kanal ab, wodurch ein leitfähiger Pfad entsteht. Wenn eine Nullspannung (logisch hoch) an das Gate angelegt wird, bleibt der Kanal nichtleitend und der MOSFET wird ausgeschaltet.

MOSFET VS. Transistor

Ein MOSFET ist ein Transistortyp, der eine breitere Kategorie darstellt, die mehrere Arten von Geräten umfasst, darunter auch MOSFETs. Ein Bipolar Junction Transistor (BJT) ist ein Transistortyp, der auf dem Prinzip der Elektronen- und Lochleitung in einem Halbleitermaterial basiert. Er besteht aus drei dotierten Halbleiterschichten: Emitter, Basis und Kollektor. Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen ihnen zusammenfasst.  

Merkmal	MOSFET	BJT
Struktur	Metall-Oxid-Halbleiter	Bipolare Verbindung
Funktionsprinzip	Feldeffektsteuerung	Stromsteuerung
Spannungssteuerung	Spannungsgesteuertes Gerät	Stromgesteuertes Gerät
Strombelastbarkeit	Hoch	Mittel bis hoch
Leistungsverlust	Geringere Leistungsverlust	Höhere Leistungsverlust
Eingangsimpedanz	Hohe Eingangsimpedanz	Geringere Eingangsimpedanz
Schaltgeschwindigkeit	Schnell	Mäßig bis schnell
Rauschverhalten	Geringes Rauschen	Mäßiges Rauschen
Thermische Stabilität	Gut	Empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen
Verstärkung	Spannung Verstärkung	Stromverstärkung
Kosten	Im Allgemeinen teurer	Im Allgemeinen weniger teuer
Anwendungen	Digitale Logik, Leistungselektronik, ICs	Verstärker, Schaltkreise, Signalverarbeitung

 

Wofür wird ein MOSFET verwendet?

Ein MOSFET wird aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften in einer Vielzahl elektronischer Anwendungen verwendet. Hier sind einige gängige Verwendungszwecke von MOSFETs: Digitale Logik: MOSFETs werden häufig in digitalen Logikschaltungen wie Mikroprozessoren, Speicherchips und digitalen Signalprozessoren verwendet. Sie dienen als Schalter und aktivieren oder deaktivieren den Stromfluss basierend auf der an den Gate-Anschluss angelegten Spannung. Leistungselektronik: MOSFETs werden häufig in Leistungselektronikanwendungen eingesetzt, darunter Stromversorgungen, Motorantriebe, Wechselrichter und DC-DC-Wandler. Sie können hohe Leistungspegel verarbeiten und große Ströme effizient schalten, wodurch sie für die Steuerung und Umwandlung elektrischer Leistung geeignet sind. Verstärker: MOSFETs können als Spannungsverstärker in Audioverstärkern, Hochfrequenzverstärkern (RF) und Operationsverstärkern eingesetzt werden. Sie bieten eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz und ermöglichen so eine effiziente Signalverstärkung. Schaltanwendungen: MOSFETs werden häufig als Schalter in verschiedenen Schaltkreisen verwendet. Aufgrund ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeiten, ihres niedrigen Einschaltwiderstands und ihrer hohen Strombelastbarkeit eignen sie sich für Anwendungen, die ein effizientes und schnelles Schalten erfordern, wie Stromversorgungen, LED-Beleuchtung und Motorsteuerung. HF-Anwendungen: MOSFETs, die für den Hochfrequenzbetrieb entwickelt wurden, finden Anwendung in HF-Schaltkreisen, einschließlich drahtloser Kommunikationssysteme, Radarsysteme sowie HF-Sender und -Empfänger. Sie können HF-Signale verarbeiten und Verstärkung oder Schaltung bei hohen Frequenzen ermöglichen. Integrierte Schaltkreise (ICs): MOSFETs sind ein grundlegender Bestandteil integrierter Schaltkreise, die in einer Vielzahl elektronischer Geräte verwendet werden. Sie spielen eine entscheidende Rolle in Mikroprozessoren, Speicherchips, analogen Schaltkreisen und anderen ICs und ermöglichen die Integration komplexer elektronischer Funktionen in einen einzigen Chip. Unterhaltungselektronik: MOSFETs finden sich in verschiedenen Unterhaltungselektronikgeräten, einschließlich Smartphones, Tablets, Fernsehern, Audiosystemen und Spielekonsolen. Sie werden in Energiemanagementschaltungen, Audioverstärkern, Anzeigetreibern und anderen elektronischen Komponenten verwendet. Die Vielseitigkeit von MOSFETs, kombiniert mit ihren hohen Schaltgeschwindigkeiten, ihrem geringen Stromverbrauch, ihrer kompakten Größe und ihrer Kompatibilität mit Herstellungsprozessen integrierter Schaltkreise, machen sie zu einem wichtigen Bestandteil moderner Elektronik.

Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass sich MOSFETs als unverzichtbare Bauelemente in der Welt der Elektronik herausgestellt haben und in einer Vielzahl von Typen für unterschiedliche Anwendungen erhältlich sind. Ihr Funktionsprinzip, das auf Feldeffektsteuerung und Metalloxid-Halbleiterstruktur basiert, ermöglicht eine präzise Spannungsregelung und einen effizienten Betrieb. MOSFETs ermöglichen schnelle Schaltgeschwindigkeiten, hohe Strombelastbarkeit und geringen Stromverbrauch. Ihre Vielseitigkeit und Kompatibilität mit Herstellungsprozessen integrierter Schaltkreise machen sie in digitalen Logikschaltungen, Leistungselektronik, Verstärkern, HF-Systemen und integrierten Schaltkreisen unverzichtbar. Da die Technologie sich weiter entwickelt, werden MOSFETs weiterhin ein wichtiger Bestandteil bleiben, der Innovationen vorantreibt und die Zukunft elektronischer Geräte und Systeme prägt.