Aufbau und Funktionsweise

Ein MOSFET ist ein aktives Bauelement mit mindestens drei Anschlüssen (Elektroden): G (gate, dt. Steuerelektrode), D (drain, dt. Abfluss), S (source, dt. Quelle). Bei einigen Bauformen wird ein zusätzlicher Anschluss B (bulk, Substrat) nach außen geführt. Meistens ist das Bulk jedoch intern mit der Source verbunden.

Wie andere Feldeffektransistoren wirkt der MOSFET wie ein spannungsgesteuerter Widerstand, das heißt, über die Gate-Source-Spannung UGS kann der Widerstand zwischen Drain und Source RDS und somit der Strom IDS (vereinfacht ID) durch RDS um mehrere Größenordnungen geändert werden. Der Schlüssel zum Verständnis dieser Widerstandsänderung in einer MOS-Struktur liegt in der Entstehung (Anreicherungstypen) bzw. Zerstörung (Verarmungstypen) eines leitenden Kanals unter dem Gate (Details siehe unten).

Grundtypen [Bearbeiten]

Ähnlich wie der Bipolartransistor kann auch der MOSFET in die zwei grundlegenden Varianten p-Typ (auch p-leitend oder PMOS) und n-Typ (auch n-leitend oder NMOS) eingeteilt werden. Werden, beispielsweise in integrierten Digitalschaltungen, beide Typen gemeinsam verwendet, spricht man von CMOS (engl.: Complementary MOS). Zusätzlich gibt es von beiden Varianten jeweils zwei Formen, die sich im inneren Aufbau und in den elektrischen Eigenschaften unterscheiden:

Verarmungstyp (engl.: depletion) – auch selbstleitend, normal-an, normal leitend

Anreicherungstyp (engl.: enhancement) – auch selbstsperrend, normal-aus, normal sperrend

In der Praxis werden mit großer Mehrheit Anreicherungstypen eingesetzt.

Grundsätzlicher Aufbau und physikalische Funktion [Bearbeiten]

Als Beispiel sei der selbstsperrende n-Kanal-MOSFET gegeben.

Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall (Substrat). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drain-Anschluss erzeugen. Zwischen den beiden Gebieten befindet sich weiterhin das Substrat, wodurch eine npn-Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt (vgl. npn-Transistor: Ohne Basisstrom ist der Transistor gesperrt). Genau über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne, widerstandsfähige Isolierschicht (Dielektrikum, meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Das Dielektrikum trennt die darüberliegende Gate-Elektrode vom Silizium (genauer vom Kanalgebiet). Als Gate-Material wurde bi

s Mitte der 1980er Aluminium verwendet, das von n+ bzw. p+ dotiertem (entartetes) Polysilizium (Abkürzung für polykristallines Silizium) abgelöst wurde.

Durch diesen Aufbau bilden Gate-Anschluss, Dielektrikum und Bulk-Anschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Durch das elektrische Feld wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Defektelektronen). Das wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung" genannt. Ab einer bestimmten Spannung Uth (engl. threshold voltage, Schwellspannung) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von Minoritätsträgern, wodurch das eigentlich p-dotierte Substrat nahe an der Isolierschicht n-leitend wird. Dieser Zustand wird starke „Inversion" genannt. Der entstandene dünne n-leitende Kanal verbindet nun die beiden n-Gebiete Source und Drain, wodurch Ladungsträger (beinahe) ungehindert von Source nach Drain fließen können.

Operationsbereiche eines n-Kanal-MOSFET

Prinzipiell sind Source- und Drain-Anschluss zunächst gleichwertig, meist ist der Aufbau aber nicht symmetrisch, um ein besseres Verhalten zu erzielen. Außerdem wird bei den meisten Bauformen Bulk intern mit Source verbunden, da ein Potentialunterschied zwischen Source und Bulk die Eigenschaften des Transistors (vor allem die Schwellenspannung) negativ beeinflusst (body effect). Auf die grundlegende Funktion hat die Verbindung keinen Einfluss. Allerdings entsteht nun zusätzlich eine Diode zwischen Source- und Drain-Anschluss, die parallel zum eigentlichen Transistor liegt (Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den p-n-Übergang). Diese sogenannte Body-Diode ist als Pfeil im Schaltsymbol des MOSFETs dargestellt und zeigt beim n-Kanal-MOSFET vom Bulk-Anschluss zum Kanal. Bei der Anwendung ist die Body-Diode in der Regel in Sperrrichtung gepolt, bei manchen Schaltanwendungen kann sie jedoch genutzt werden, um Inversbetrieb zu verhindern. Sie kann den vollen Drainstrom des MOSFETs führen, schaltet aber relativ langsam, so dass für schnelle Schalter externe Dioden benutzt werden. Siehe auch: Feldeffekttransistor

Varianten im Aufbau [Bearbeiten]

Neben den konventionellen MOSFET-Varianten existieren noch diverse Spezialvarianten mit verändertem Aufbau. Ziel ist ein besseres Schaltungverhalten, was jedoch mit zum Teil deutlich erhöhtem Herstellungsaufwand verbunden ist. Beispiele sind der VMOS-FET oder der FinFET, wobei letzterer den Vorteil eines vergrößerten Kanalbereichs bietet; aufgrund der Kanalbereiche oft auch als Dual- (Tetrode) oder Tri-Gate bezeichnet.[2][3] Diese werden zum Beispiel in HF-Schaltungen eingesetzt (HF-Verstärker, multiplikativer Mischer).