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Der MOSFET

Der MOSFET

MOSFETs arbeiten genauso wie JFETs, haben jedoch einen Gate-Anschluss, der elektrisch vom leitenden Kanal isoliert ist

Neben dem Junction Field Effect Transistor (JFET) steht eine weitere Art von Feldeffekttransistor zur Verfügung, dessen Gate-Eingang vom Hauptstromkanal elektrisch isoliert ist und daher als Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET) bezeichnet wird.

Die gebräuchlichste Art von FET mit isoliertem Gate, die in vielen verschiedenen Arten von elektronischen Schaltungen verwendet wird, wird als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder kurz MOSFET bezeichnet.

Der IGFET oder MOSFET ist ein spannungsgesteuerter Feldeffekttransistor, der sich von einem JFET dadurch unterscheidet, dass er eine “Metalloxid”-Gate-Elektrode besitzt, die durch eine sehr dünne Schicht aus isolierendem Material, meist Siliziumdioxid, das allgemein als Glas bekannt ist, elektrisch vom Haupthalbleiter n-Kanal oder p-Kanal isoliert ist.

Diese ultradünne isolierte Metall-Gate-Elektrode kann man sich als eine Platte eines Kondensators vorstellen. Durch die Isolation des steuernden Gates ist der Eingangswiderstand des MOSFETs im Mega-Ohm-Bereich ( ) extrem hoch und damit nahezu unendlich hoch.

Da die Gate-Klemme vom Hauptstromkanal isoliert ist, “fließt kein Strom in das Gate” und wie beim JFET wirkt auch der MOSFET wie ein spannungsgesteuerter Widerstand, bei dem der Strom, der durch den Hauptkanal zwischen Drain und Source fließt, proportional zur Eingangsspannung ist. Ebenso wie der JFET können die MOSFETs sehr hohe Eingangswiderstände leicht große Mengen statischer Aufladung akkumulieren, was dazu führt, dass der MOSFET leicht beschädigt wird, wenn er nicht sorgfältig behandelt oder geschützt wird.

Wie das vorherige JFET-Tutorial sind MOSFETs dreiklemmige Bauteile mit Gate, Drain und Source und es stehen sowohl P-Kanal (PMOS) als auch N-Kanal (NMOS) MOSFETs zur Verfügung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass MOSFETs in zwei Grundformen erhältlich sind:

  • Verarmungstyp-MOSFET (Depletion Type)   –   der Transistor benötigt die Gate-Source-Spannung ( VGS ), um das Gerät “OFF” zu schalten. Der Verarmungsbetrieb-MOSFET entspricht einem “Normally Closed”-Schalter.
  • Anreicherungstyp-MOSFET   –   der Transistor benötigt eine Gate-Source-Spannung ( VGS ), um das Gerät einzuschalten. Der Enhancement Mode MOSFET entspricht einem “Normally Open”-Schalter.

Die Symbole und der prinzipielle Aufbau für beide MOSFET Konfigurationen sind nachfolgend dargestellt.

mosfet symbol

Die vier MOSFET-Symbole oben zeigen einen zusätzlichen Anschluss namens Bulk (Substrate) und werden normalerweise nicht als Eingangs- oder Ausgangsanschluss verwendet, sondern dienen zur Erdung des “Substrate”. Es verbindet sich mit dem Haupt-Halbleiterkanal über eine Diodenverbindung mit dem Gehäuse oder der Metallplatte des MOSFETs.

In diskreten MOSFETs wird dieses Substratkabel normalerweise intern mit dem Quellanschluss verbunden. In diesem Fall wird es, wie bei den Erweiterungsarten, aus dem Symbol für die Klärung weggelassen.

Die Linie zwischen den Anschlüssen Drain und Source stellt den halbleitenden Kanal dar. Handelt es sich um eine durchgehend durchgezogene Linie, so handelt es sich um einen MOSFET vom “Verarmungstyp” (normal-ON), da der Drainstrom mit Null-Gate-Potential fließen kann.

Wenn die Kanallinie gestrichelt oder gebrochen dargestellt wird, handelt es sich um einen MOSFET vom “Anreicherungstyp” (normal-OFF), da der Null-Drain-Strom mit Null-Gate-Potential fließt. Die Pfeilrichtung gibt an, ob es sich bei dem leitfähigen Kanal um ein p- oder n-Typ-Halbleiterbauelement handelt.

Grundlegende MOSFET-Struktur und -Symbol

MOSFET-Struktur

Der Aufbau des Metalloxid-Halbleiter-FETs unterscheidet sich stark von dem des Junction-FETs. Sowohl die Verarmungs- als auch die Anreicherungs-MOSFETs verwenden ein elektrisches Feld, das durch eine Gatespannung erzeugt wird, um den Fluss von Ladungsträgern, Elektronen für den n-Kanal oder Löchern für den P-Kanal durch den halbleitenden Drain-Source-Kanal zu verändern. Die Gate-Elektrode wird auf eine sehr dünne Isolierschicht aufgesetzt und es gibt ein Paar kleiner n-artiger Bereiche direkt unter der Drain- und Source-Elektrode.

Im vorigen Tutorial haben wir gesehen, dass das Gate eines Junction Field Effect Transistors, JFET, so vorgespannt sein muss, dass der pn-Übergang in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen wird. Bei einem MOSFET-Bauelement mit isoliertem Gate gibt es keine derartigen Einschränkungen, so dass es möglich ist, das Gate eines MOSFETs entweder in Polarität, positiv (+ve) oder negativ (-ve) zu beeinflussen.

Dies macht das MOSFET-Bauelement besonders wertvoll als elektronischen Schalter oder zur Herstellung von Logikgattern, da sie ohne Vorspannung normalerweise nichtleitend sind und dieser hohe Gate-Eingangswiderstand bedeutet, dass sehr wenig oder gar kein Steuerstrom benötigt wird, da MOSFETs spannungsgesteuerte Bauelemente sind. Sowohl die p-Kanal- als auch die n-Kanal-MOSFETs stehen in zwei Grundformen zur Verfügung, dem Verarmungs-Typ und dem Anreicherungs-Typ.

MOSFET im Verarmungsmodus

Der Verarmungsmodus MOSFET, der weniger verbreitet ist als die Anreicherungstypen, wird normalerweise ohne Anlegen einer Gate Bias-Spannung auf “ON” (leitend) geschaltet. Das heißt, der Kanal leitet, wenn VGS = 0 ist, was ihn zu einem “normal geschlossenen” Gerät macht. Das oben gezeigte Schaltsymbol für einen MOS-Transistor mit Verarmung (Depletion) verwendet eine durchgezogene Kanallinie, um einen normal geschlossenen, leitfähigen Kanal zu kennzeichnen.

Für den n-Kanal-Depletion-MOS-Transistor, eine negative Gate-Source-Spannung, verbraucht span class=”ntxt”>-VGS den leitfähigen Kanal seiner freien Elektronen, die den Transistor “OFF” schalten. Ebenso für einen MOS-Transistor mit p-Kanal-Verarmung eine positive Gate-Source-Spannung, span class=”ntxt”>+VGS wird den Kanal seiner freien Löcher entleeren und ihn “OFF” drehen.

Mit anderen Worten, für einen n-Kanal Verarmungsmodus MOSFET: +VGS bedeutet mehr Elektronen und mehr Strom. Während ein -VGS weniger Elektronen und weniger Strom bedeutet. Das Gegenteil gilt auch für die P-Kanal-Typen. Dann ist der Verarmungsmodus MOSFET gleichbedeutend mit einem “normal geschlossenen” Schalter.

Verarmungsmodus N-Kanal-MOSFET und Schaltkreis-Symbole

Depletion-Mode MOSFET-Kurven

depletion mode mosfet symbol

Der Verarmungsmodus MOSFET ist ähnlich aufgebaut wie ihre JFET-Transistor-Gegenstücke, bei denen der Drain-Source-Kanal von Natur aus leitfähig ist und die Elektronen und Löcher bereits im n- oder p-Kanal vorhanden sind. Diese Dotierung des Kanals erzeugt eine Leiterbahn mit niedrigem Widerstand zwischen Drain und Source mit Null-Gate-Vorspannung.

MOSFET im Anreicherungs-Modus

Der gebräuchlichere Anreicherungs- (Enhancement)-Modus MOSFET oder eMOSFET ist die Umkehrung des Verarmungstyps. Hier ist der leitende Kanal leicht dotiert oder sogar undotiert und somit nichtleitend. Dies hat zur Folge, dass das Gerät normalerweise “OFF” (nichtleitend) ist, wenn die Gate-Vorspannung VGS gleich Null ist. Das oben gezeigte Schaltungssymbol für einen MOS-Transistor verwendet eine unterbrochene Kanallinie, um einen normalerweise offenen, nichtleitenden Kanal zu kennzeichnen.

Für den MOS-Transistor mit n-Kanal-Verstärkung fließt ein Drain-Strom nur dann, wenn eine Gatespannung (VGS) an die Gate-Klemme angelegt wird, die größer ist als die Schwellenspannung (VTH), in der die Leitfähigkeit stattfindet.

Die Anwendung einer positiven (+ve) Gatespannung auf einen n-Typ eMOSFET zieht mehr Elektronen in Richtung der Oxidschicht um das Gate herum an, wodurch die Dicke des Kanals erhöht oder erhöht wird (daher der Name), wodurch mehr Strom fließen kann. Aus diesem Grund wird dieser Transistortyp als Enhancement Mode Device bezeichnet, da das Anlegen einer Gatespannung den Kanal verstärkt.

Eine Erhöhung dieser positiven Gatespannung führt dazu, dass der Kanalwiderstand weiter abnimmt, was zu einer Erhöhung des Drainstroms, ID durch den Kanal, führt. Mit anderen Worten, für einen n-Kanal Anreicherungs-MOSFET: +VGS schaltet den Transistor “ON”, während eine Null oder -VGS den Transistor “OFF” schaltet. Der Anreicherungs-MOSFET entspricht dann einem “normal offenen” Schalter.

Umgekehrt verhält es sich mit dem MOS-Transistor mit p-Kanal-Verstärkung. Bei VGS = 0 ist das Gerät “OFF” und der Kanal ist offen. Das Anlegen einer negativen (-ve) Gatespannung an den p-Typ eMOSFET erhöht die Leitfähigkeit der Kanäle und schaltet sie ein. Dann für einen p-Kanal Anreicherungs-Modus MOSFET: +VGS schaltet den Transistor “OFF”, während -VGS den Transistor “ON” schaltet.

Anreicherungs-Modus N-Kanal MOSFET und Schaltkreissymbole

enhancement mode mosfet kurven

enhancement mode mosfet symbol

Anreicherungs-Modus MOSFETs zeichnen sich durch einen niedrigen “ON”-Widerstand und einen extrem hohen “OFF”-Widerstand sowie einen unendlich hohen Eingangswiderstand aus. Anreicherungs-Modus MOSFETs werden in integrierten Schaltungen zur Herstellung von CMOS Logic Gates und Leistungsschaltkreisen in Form von PMOS (P-Kanal) und NMOS (N-Kanal) Gates verwendet. CMOS steht eigentlich für Complementary MOS, was bedeutet, dass der Logikbaustein sowohl PMOS als auch NMOS in seinem Design hat.

Der MOSFET-Verstärker

Genau wie der bisherige Junction Field Effect Transistor, können MOSFETs verwendet werden, um einstufige Verstärkerschaltungen der Klasse “A” herzustellen, wobei der n-Kanal MOSFET Common-Source-Amplifier im Anreicherungs-Modus die beliebteste Schaltung ist. Die Verarmungs-Modus MOSFET-Verstärker sind den JFET-Verstärkern sehr ähnlich, nur dass der MOSFET eine viel höhere Eingangsimpedanz hat.

Diese hohe Eingangsimpedanz wird durch das Gate Widerstandsnetzwerk gesteuert, das aus R1 und R2 gebildet wird. Außerdem wird das Ausgangssignal für den Enhancement Mode Common-Source- MOSFET-Verstärker invertiert, da bei niedrigem VG der Transistor “OFF” und VD (Vout) hochgeschaltet wird. Wenn VG hoch ist, wird der Transistor auf “ON” geschaltet und VD (Vout) ist niedrig (siehe Abbildung).

Anreicherungs-Modus N-Kanal-MOSFET-Verstärker

Anreicherungs-Modus MOSFET-Verstärker

Die Gleichstromvorspannung dieser MOSFET-Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Quelle (CS) ist praktisch identisch mit der des JFET-Verstärkers. Die MOSFET-Schaltung wird im Class-A-Modus durch das Spannungsteilernetz, welches aus den Widerständen R1 und R2 gebildet wird, vorgespannt. Der AC-Eingangswiderstand wird als RIN = RG = 1MΩ angegeben.

Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind Elektronikbausteine aus verschiedenen Halbleitermaterialien drei aktiven Klemmen. Sie fungieren durch Anlegen einer kleinen Signalspannung entweder als Isolator oder als Leiter.

Die Fähigkeit des MOSFETs, zwischen diesen beiden Zuständen zu wechseln, ermöglicht ihm zwei Grundfunktionen: “Schalten” (digitale Elektronik) oder “Verstärken” (analoge Elektronik). MOSFETs haben die Fähigkeit, in drei verschiedenen Regionen zu operieren:

  • 1. Cut-off Region   –   bei VGS < Vthreshold ist die Gate-Source-Spannung kleiner als die Schwellenspannung, so dass der MOSFET-Transistor “full-OFF” und IDS = 0, geschaltet wird, der Transistor wirkt wie ein offener Schaltkreis.
  • 2. Linearer (ohmscher) Bereich   –   bei VGS > Vthreshold und VDS < VGS befindet sich der Transistor in seinem Konstantwiderstandsbereich und verhält sich wie ein spannungsgesteuerter Widerstand, dessen Widerstandswert durch die Gatespannung VGS bestimmt wird.
  • 3. Sättigungsbereich   –   bei VGS > Vthreshold befindet sich der Transistor in seinem Konstantstrombereich und wird “fully-ON” geschaltet. Der Strom IDS = Maximum, da der Transistor als geschlossener Stromkreis wirkt.

Zusammenfassung MOSFETs

Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, kurz MOSFET, hat einen extrem hohen Eingangs-Gate-Widerstand, wobei der Strom, der durch den Kanal zwischen Quelle und Drain fließt, durch die Gatespannung gesteuert wird. Aufgrund dieser hohen Eingangsimpedanz und Verstärkung können MOSFETs leicht durch statische Elektrizität beschädigt werden, wenn sie nicht sorgfältig geschützt oder gehandhabt werden.

MOSFETs sind ideal für den Einsatz als elektronische Schalter oder als Verstärker mit gemeinsamer Quelle geeignet, da ihr Stromverbrauch sehr gering ist. Typische Anwendungen für Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind Mikroprozessoren, Speicher, Rechner und Logik-CMOS-Gates etc.

Beachten Sie auch, dass eine gestrichelte oder gestrichelte Linie innerhalb des Symbols einen normalerweise “OFF”-Verbesserungs-Typ anzeigt, der anzeigt, dass “KEIN”-Strom durch den Kanal fließen kann, wenn die Spannung VGS mit Null-Gate-Quelle angelegt wird.

Eine durchgehende, ununterbrochene Linie innerhalb des Symbols zeigt an, dass der Strom durch den Kanal fließen “KANN” und die Gatespannung null ist. Bei den P-Kanal-Typen sind die Symbole für beide Typen identisch, mit der Ausnahme, dass der Pfeil nach außen zeigt. Dies lässt sich in der folgenden Schalttabelle zusammenfassen.

MOSFET-typ VGS = +ve VGS = 0 VGS = -ve
N-Channel Depletion Anschalten Anschalten Ausschalten
N-Channel Enhancement Anschalten Ausschalten Ausschalten
P-Channel Depletion Ausschalten Anschalten Anschalten
P-Channel Enhancement Ausschalten Ausschalten Anschalten

Bei MOSFETs mit n-Typ-Verstärkung schaltet eine positive Gatespannung den Transistor ein und bei Null-Gate-Spannung wird der Transistor ausgeschaltet. Bei einem MOSFET mit p-Kanal-Verstärkung schaltet eine negative Gatespannung den Transistor ein und bei einer Null-Gate-Spannung ist der Transistor ausgeschaltet. Der Spannungspunkt, an dem der MOSFET beginnt, Strom durch den Kanal zu leiten, wird durch die Schwellenspannung VTH des Bausteins bestimmt.

Im nächsten Tutorial über Feldeffekttransistoren werden wir uns, anstatt den Transistor als Verstärker zu verwenden, mit der Funktionsweise des Transistors in seinen Sättigungs- und Abschaltbereichen befassen, wenn er als Festkörperschalter verwendet wird. Feldeffekttransistorschalter werden in vielen Anwendungen eingesetzt, um einen Gleichstrom “EIN” oder “AUS” zu schalten, wie z.B. LED’s, die bei niedrigen Gleichspannungen nur wenige Milliampere benötigen, oder Motoren, die bei höheren Spannungen höhere Ströme benötigen.

5 Kommentar

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  • HAL

    Aussage: “Sowohl die p-Kanal- als auch die n-Kanal-MOSFETs stehen in zwei Grundformen zur Verfügung, dem Verarmungs-Typ und dem Anreicherungs-Typ.”
    Aber: Einen p-Kanal-MOSFET als Verarmungstyp gibt es meines Wissens nirgends zu kaufen, weil kein Herstelle ihn produziert.
    Also wäre obige Aussage überdenkenswert.

  • raoul taake

    Moin Meister

  • Gerd

    Toller Artikel. Der mir sehr weitergeholfen hat, Das Video in diesem Artikel (unten im Artikel) zeigt die Funktionsweise eines MOSFETs auch sehr gut.

  • jean pichler

    hh
    noob

  • Noji Ratzlaff

    Your top drawing is incorrect. There is no “metal oxide insulator” layer. It is an oxide layer (silicon dioxide) that serves as an insulator (dielectric). A metal oxide is not a good insulator, so cannot serve as the oxide layer in a MOSFET device.