Ein MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein Transistortyp, der häufig zum Schalten und Verstärken elektronischer Signale verwendet wird. Ein FET ist ein Halbleiterbauelement, das den Ausgangsstromkreisstrom steuert, indem es den elektrischen Feldeffekt des Steuereingangsstromkreises nutzt.
Ein FET ist ein Vierpolbauelement mit den Anschlüssen Source (S), Gate (G), Drain (D) und Body (B). Ein FET steuert den Strom, indem er eine Spannung an das Gate anlegt, wodurch sich die Leitfähigkeit zwischen Drain und Source ändert. Er wird auch als unipolarer Transistor bezeichnet, da er Elektrizität nur durch die Mehrheitsträger im Halbleiter leitet. Das heißt, ein FET verwendet bei seinem Betrieb entweder Elektronen oder Löcher als Ladungsträger, aber nicht beides.
Es gibt zwei Haupttypen von Feldeffektröhren: Junction-Feldeffektröhren (JFETs) und isolierte Gate-Feldeffektröhren (MOS-Röhren).
Der MOSFET wurde 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden und im Juni 1960 erstmals vorgestellt. Er ist ein grundlegender Bestandteil der modernen Elektronik und das am häufigsten verwendete Gerät der Geschichte. Seit den 1960er Jahren hat die Verkleinerung und Miniaturisierung von MOSFETs zu schnellen Fortschritten in der elektronischen Halbleitertechnologie geführt und hochdichte ICs wie Speicherchips und Mikroprozessoren ermöglicht. Der MOSFET gilt als das „Arbeitspferd“ der Elektronikindustrie. MOSFETs gelten als das „Arbeitspferd“ der Elektronikindustrie.
Ein MOSFET kann auf zwei Arten funktionieren
- Erschöpfungsmodus
Wenn keine Spannung am Gate-Anschluss anliegt, zeigt der Kanal seine maximale Leitfähigkeit. Wenn die Spannung am Gate-Anschluss hingegen entweder positiv oder negativ ist, nimmt die Kanalleitfähigkeit ab. Weitere Informationen zum Depletion Mode MOSFET finden Sie unter diesem Link.
- Verbesserungsmodus
Wenn am Gate-Anschluss keine Spannung anliegt, leitet das Gerät nicht. Wenn die maximale Spannung am Gate-Anschluss anliegt, zeigt das Gerät eine verbesserte Leitfähigkeit.
Im Hinblick auf das Funktionsprinzip werden MOSFETs wie folgt klassifiziert:
- P-Kanal-Depletion-MOSFET
- P-Kanal-Verstärkungs-MOSFET
- N-Kanal-Verarmungs-MOSFET
- N-Kanal Enhancement MOSFET
P-Kanal-MOSFET
Ein P-Kanal-MOSFET hat einen P-Kanal-Bereich zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen. Es handelt sich um ein Gerät mit vier Anschlüssen, dessen Anschlüsse Gate, Drain, Source und Body sind. Drain und Source sind stark dotierte p+-Bereiche und der Body bzw. das Substrat ist n-Typ. Der Strom fließt in Richtung der positiv geladenen Löcher.
Wenn wir eine negative Spannung mit Abstoßung am Gate-Anschluss anlegen, werden die unter der Oxidschicht vorhandenen Elektronen nach unten in das Substrat gedrückt. Die Verarmungszone besteht aus gebundenen positiven Ladungen, die mit den Donoratomen verbunden sind. Die negative Gate-Spannung zieht auch Löcher aus den p+-Source- und Drain-Regionen in die Kanalregion.
N-Kanal-MOSFET
Ein N-Kanal-MOSFET verfügt über einen N-Kanal-Bereich zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen. Es handelt sich um ein Gerät mit vier Anschlüssen, dessen Anschlüsse Gate, Drain, Source und Body sind. Bei diesem Feldeffekttransistor sind Drain und Source stark dotierte n+-Bereiche und das Substrat bzw. der Body ist vom P-Typ.
Bei diesem MOSFET-Typ kommt es aufgrund negativ geladener Elektronen zu einem Stromfluss. Wenn wir eine positive Spannung mit abstoßender Kraft an die Gate-Anschlüsse anlegen, werden die unter der Oxidschicht vorhandenen Löcher nach unten in das Substrat gedrückt. Die Verarmungszone besteht aus gebundenen negativen Ladungen, die mit den Akzeptoratomen verbunden sind.
Beim Eintreffen der Elektronen bilden sich Kanäle. Die positive Spannung zieht auch Elektronen aus den n+-Source- und Drain-Bereichen in den Kanal. Wenn nun eine Spannung zwischen Drain und Source angelegt wird, fließt der Strom frei zwischen Source und Drain, während die Gate-Spannung die Elektronen im Kanal steuert. Wenn wir eine negative Spannung anlegen, bildet sich unter der Oxidschicht anstelle einer positiven Spannung ein Löcherkanal.
MOSFET-Arbeitsbetrieb
Das Funktionsprinzip eines MOSFET hängt vom MOS-Kondensator ab. Der MOS-Kondensator ist der Hauptbestandteil des MOS-FET. Die Halbleiteroberfläche an der unteren Oxidschicht befindet sich zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen. Sie kann durch Anlegen positiver oder negativer Gate-Spannungen vom p-Typ zum n-Typ invertiert werden.
Wenn wir eine positive Gate-Spannung anlegen, erfahren die unter der Oxidschicht vorhandenen Löcher eine Abstoßungskraft und werden mit dem Substrat nach unten gedrückt.
Die Verarmungszone wird von den gebundenen negativen Ladungen bevölkert, die mit den Akzeptoratomen verbunden sind. Die Elektronen gelangen dorthin und der Kanal wird gebildet. Die positive Spannung zieht auch Elektronen aus den n+-Source- und Drain-Regionen in den Kanal.
Wenn nun eine Spannung zwischen Drain und Source angelegt wird, fließt der Strom frei zwischen Source und Drain und die Gate-Spannung steuert die Elektronen im Kanal. Wenn wir eine negative Spannung anlegen, bildet sich unter der Oxidschicht ein Löcherkanal.
MOSFET-Betriebsbereiche
Im allgemeinsten Sinne erfolgt der Betrieb dieses Geräts hauptsächlich in drei Bereichen, und zwar wie folgt:
Abschaltbereich – Dies ist der Bereich, in dem sich das Gerät im AUS-Zustand befindet und kein Strom durch das Gerät fließt. Hier fungiert das Gerät als Basisschalter und wird so eingesetzt, wie es für den Betrieb als elektrischer Schalter erforderlich ist.
Sättigungsbereich – In diesem Bereich bleibt der Drain-Source-Stromwert der Geräte konstant, ohne dass die Spannungserhöhung zwischen Drain und Source berücksichtigt wird. Dies geschieht nur einmal, wenn die Spannung zwischen Drain und Source-Anschluss stärker ansteigt als der Abschnürspannungswert. In diesem Szenario fungiert das Gerät als geschlossener Schalter, bei dem ein gesättigter Strompegel zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen fließt. Aus diesem Grund wird der Sättigungsbereich ausgewählt, wenn die Geräte schalten sollen.
Linearer/Ohmscher Bereich – Dies ist der Bereich, in dem der Strom über den Drain-Source-Anschluss mit der Zunahme der Spannung über den Drain-Source-Pfad zunimmt. Wenn die MOSFET-Geräte in diesem linearen Bereich funktionieren, erfüllen sie die Verstärkerfunktion.
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