Ratgeber
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren – kurz MOSFETs – sind die bei weitem häufigsten Transistoren in digitalen Schaltungen. Da sie sich enorm verkleinern lassen, finden sie sich in riesigen Mengen in Speicherchips oder Mikroprozessoren. So enthält beispielsweise ein moderner DDR4-Speicherriegel mit 128 Gigabyte Kapazität über 137 Milliarden Transistoren.
Erfahren Sie hier, wie MOSFETS aufgebaut sind, wie sie funktionieren und für welche Einsatzzwecke sie geeignet sind.
Ihre Fähigkeit, die Leitfähigkeit mit der Höhe der angelegten Spannung zu ändern, lässt sich zur Verstärkung oder zum Schalten von elektronischen Signalen nutzen.
Letztlich ist der unipolare MOSFET ein über die Spannung steuerbarer Widerstand. Im Vergleich zu einem Bipolartransistor benötigt er fast keinen Eingangsstrom zur Steuerung des Laststroms, einer der größten Vorteile dieses Bauelements.
Die Bezeichnung "Metall-Oxid-Halbleiter" beziehungsweise „metal-oxid-semiconductor“ (MOS) bezieht sich typischerweise auf ein Metall-Gate, eine Oxid-Isolation und einen Halbleiter, in der Regel Silizium.
Das Metall in MOSFET ist jedoch heutzutage oft irreführend, da das Gate-Material ebenso eine Schicht aus Polysilizium (polykristallines Silizium) sein kann.
Neben Oxid lassen sich auch verschiedene dielektrische Materialien verwenden, um effiziente Kanäle bei kleineren angelegten Spannungen zu erhalten. Der MOS-Kondensator ist ebenfalls ein Teil dieser Struktur.
MOSFETs sind entweder Teil integrierter MOS-Schaltkreis-Chips oder diskrete Bauteile. Möglich sind zudem Single-Gate- oder Multi-Gate-Ausführungen.
Da alle entweder dem p-Typ- oder dem n-Typ-Halbleitern entsprechen, lassen sich komplementäre Paare für Schaltkreise mit sehr geringem Stromverbrauch herstellen.
Produziert werden MOSFETs in zwei Varianten: als „normal leitend“ – der sogenannte Verarmungstyp – und als normal sperrend – der Anreicherungstyp.
Allen Typen gemeinsam sind die drei Anschlüsse „S“ für Source, „D“ für Drain“ und „G“ für Gate, im Deutschen entsprechend Quelle, Abfluss und Steueranschluss.
Ein MOSFET beruht auf der Steuerung der Ladungsträgerkonzentration über einen MOS-Kondensator zwischen den Substratelektroden und dem Gate. Das Gate befindet sich auf der Oberseite des Substrats und ist von allen anderen Bereichen des Bauelements durch eine dielektrische Schicht isoliert, zum Beispiel durch Siliziumdioxid. Werden andere dielektrische Materialien als Oxide verwendet, spricht man von einem Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor, kurz MISFET. Eingebürgert hat sich außerdem die für alle Typen geltende Abkürzung IGFET für einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate.
Im Vergleich zum reinen MOS-Kondensator enthält der MOSFET die beiden zusätzlichen Anschlüsse Source und Drain, die jeweils mit hochdotierten Bereichen verbunden sind, getrennt durch den Substratbereich. Diese Bereiche können entweder vom p-Typ oder vom n-Typ sein. Source und Drain sind stark dotiert und werden in der Notation durch ein '+'-Zeichen hinter dem Dotierungstyp angegeben.
Wenn es sich bei dem IGFET um einen n-Kanal handelt, sind die Dotierungsbereiche für Source und Drain "n+"-Bereiche und das Substrat ist ein "p"-Typ-Bereich.
Beim p-Kanal sind die Dotierungsbereiche für Source und Drain "p+"-Bereiche und das Substrat ist ein "n"-Typ-Bereich. Der Source-Anschluss wird so genannt, weil er den Ursprung der Ladungsträger bildet, die durch den Kanal fließen. Analog dazu ist der Drain der Punkt, an dem die Ladungsträger den Kanal verlassen.
Beim Anlegen einer negativen Gate-Source-Spannung entsteht auf einer n-Typ-Substratoberfläche ein p-Typ-Kanal, analog zum n-Kanal, jedoch mit entgegengesetzten Polaritäten der Ladungen und Spannungen.
Ist die Spannung kleiner als die Schwellenspannung, verschwindet der Kanal und es kann nur ein kleiner Unterschwellenstrom zwischen Drain und Source fließen.
FAQ – häufig gestellte Fragen
In welchen Gehäuseformen und für welche Montagearten gibt es IGFETs?
Diese Bauteile gibt es sowohl mit Lötanschlüssen als auch für die SMD-Montage direkt auf der Platine. Einige Typen besitzen Durchführungslöcher für Schrauben und das Anbringen von Kühlkörpern.
Für welchen maximalen Temperaturbereich sind MOSFETs ausgelegt?
Gängige Maxima reichen von 125 bis zu 225 Grad Celsius.
Was ist der Unterschied zwischen einem Transistor und einem Feldeffekttransistor?
Letztlich gehören beide zur Gruppe der Transistoren und können als Schalter oder Verstärker eingesetzt werden. Feldeffekttransistoren arbeiten im Gegensatz zu Transistoren mit einer Steuerspannung beziehungsweise einem elektrischen Feld, ein Steuerstrom fließt dabei nicht. Außerdem lassen sich Feldeffekttransistoren auch für Wechselstromverstärkung einsetzen, bei bipolaren Transistoren ist das nicht möglich.