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Zu den Halbleiterbauelementen für das Schalten und die Signalverstärkung gehören MOSFET-Transistoren. Ihre sehr geringe Größe und revolutionäre Multifunktionalität beim Schalten haben ihnen einen festen Platz in der modernen Elektronik gesichert.
Die Abkürzung MOSFET steht für Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorund beschreibt die Technologie zur Herstellung von Feldeffekttransistoren. Es handelt sich um eine Art Halbleitertransistor, der häufig in der Elektronik und in digitalen Schaltungen verwendet wird. Ein MOSFET-Transistor kann als Bauelement mit vier Anschlüssen beschrieben werden: Source (S), Gate (G), Drain (D) und Body (B). Der Korpus des MOSFET-Transistors ist mit dem Source-Anschluss verbunden und bildet so ein Bauelement mit drei Anschlüssen, den Feldeffekttransistor. Ein MOSFET wird daher als Transistor betrachtet und sowohl in analogen als auch in digitalen Schaltungen verwendet. In einem MOSFET fließt der Strom zwischen Source und Drain in Abhängigkeit von der Spannung am Gate, die die Leitungsfläche im Kanal zwischen Source und Drain steuert. Dies ermöglicht eine schnelle und effiziente Stromumschaltung. Das macht den MOSFET zu einem idealen Kandidaten für digitale Schaltungen, Stromversorgungen, Motorsteuerungen, Leistungsverstärker und viele andere elektronische Anwendungen.
Elektronik. MOSFETs früher und heute
Das MOSFET-Patent stammt aus der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg. Der österreichische Ingenieur Julius Edgar Lilienfeld versuchte, eine isolierende Metalloxidschicht zwischen einem Metall-Gate und einem Halbleiterkanal anzubringen. Seine Entdeckung aus dem Jahr 1925 war von enormer Bedeutung für die Entwicklung der modernen Elektronik. Trotz der praktischen Ergebnisse von Lilienfelds Arbeit erlangte der MOSFET erst in den 1960er Jahren an Bedeutung. Damals brachten US-Entwickler die Isolierung durch Metalloxid auf Siliziumtransistoren auf, und erst diese verbesserte Version des MOSFET zeigte der Welt die Bedeutung von Stabilität, Skalierbarkeit und Entwicklungswegen für fortschrittliche integrierte Schaltungen.
Die Herstellung von MOSFETs kann kostspielig sein, was jedoch von einer Reihe von Faktoren abhängt, u. a. vom Produktionsvolumen, von der im Herstellungsprozess verwendeten Technologie und von der Wettbewerbsfähigkeit des Marktes. Der MOSFET-Herstellungsprozess selbst findet in modernen Halbleiterfabriken statt, die erhebliche Investitionen in Infrastruktur und Spezialausrüstung erfordern. Der Produktionsprozess ist komplex und automatisiert und umfasst viele Schritte wie Lithografie, Materialabscheidung, Fotolithografie, Ätzen, Ionenimplantation und viele andere. Der MOSFET-Markt ist jedoch gut entwickelt und wettbewerbsfähig. Es ist sicherlich ermutigend zu sehen, dass eine Reihe von Herstellern in der ganzen Welt – ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments oder das etwas bekanntere Unternehmen Toshiba, um nur einige zu nennen – an der Produktion von MOSFETs beteiligt sind, was zu einer Vielfalt von Produkten und Preisunterschieden führt. Die wichtigsten Halbleiterhersteller befinden sich in Asien, insbesondere in China, Südkorea und Taiwan, aber auch in den USA und Europa gibt es bedeutende Marktteilnehmer.
Stromversorgung und Elektronik mit MOSFET
Auf dem Gebiet der Stromversorgung und Energieumwandlung sind MOSFETs ein wesentlicher Bestandteil von Schaltnetzteilen. Sie ermöglichen eine effiziente Spannungsumwandlung und eine präzise Steuerung des Stromflusses. Sie werden auch häufig in Motorsteuerungssystemen eingesetzt, sowohl in der Industrie als auch in Elektrofahrzeugen, die immer beliebter werden. Darüber hinaus spielen MOSFETs eine wichtige Rolle in modernen Stromversorgungssystemen, Spannungsreglern und verschiedenen Arten von Energiewandlern. Der MOSFET wird auch im Bereich der Nahelektronik für digitale Schaltungen eingesetzt, wo er für Logikgatter, statischen RAM (SRAM) und Mikroprozessoren verwendet wird.
MOSFET-Anwendungen - Ton und Musik
MOSFETs werden u. a. in digitalen Schaltungen verwendet, um Logikgatter, statisches RAM (SRAM) und Mikroprozessoren zu bauen. Dank seiner Eigenschaften eignet er sich auch hervorragend als Audioverstärker in hochwertigen Systemen, da er geringe Klangverzerrungen und einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet.
In Gitarrenverstärkern werden MOSFETs häufig als wichtige Leistungselemente oder als Teil von Vorverstärkerschaltungen eingesetzt. Dank ihrer Fähigkeit, schnell zu schalten, ermöglichen MOSFETs unverwechselbare Gitarrentöne und -reaktionen. Ohne MOSFETs gäbe es keine modernen Overdrive-, Röhren-Overdrive- (Verzerrungs-) oder Mikrofonvorverstärker-Effekte. Sie verwenden auch von tragbare elektronischen Instrumenten wie Synthesizern, Samplern und Soundmodulen verwendet.
MOSFET als Schalter
Der n-Kanal-MOSFET im Verstärkungsmodus (e-MOSFET) arbeitet mit einer positiven Eingangsspannung und hat einen hohen Eingangswiderstand – fast unendlich, könnte man sagen -, wodurch er als Schalter verwendet werden kann, wenn er mit fast jedem Logikgatter oder Treiber verbunden ist, der einen positiven Ausgang erzeugen kann. Aufgrund des sehr hohen Eingangswiderstands (des Gates) können viele verschiedene MOSFETs sicher parallel geschaltet werden, bis die erforderliche Stromkapazität erreicht ist. Die Parallelschaltung verschiedener MOSFETs ermöglicht das Schalten großer Ströme oder hoher Spannungen, wird aber teuer und unpraktisch, sowohl was die Bauteile als auch den Platz auf der Leiterplatte angeht. Um dieses Problem zu lösen, wurden Leistungs-Feldeffekttransistoren (engl. Power Field Effect Transistors oder Power FETs) entwickelt.
Der MOSFET im Verstärkungsmodus wird als Schalter verwendet, da diese Transistoren eine positive Gate-Spannung benötigen, um einzuschalten, und eine Nullspannung, um auszuschalten. Sie werden dann zu praktischen Schaltern und Elementen, die sich leicht mit Logikgattern kombinieren lassen.
Wenn die Gate-Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, bildet der MOSFET im Durchlassmodus einen Leitungskanal in der Halbleiterschicht zwischen Source und Drain. In diesem Fall kann der Strom zwischen Source und Drain ungehindert fließen, was zu einem eingeschalteten Zustand des MOSFET führt, d. h. er leitet. Ist die Gate-Spannung hingegen niedriger als die Schwellenspannung, bildet der MOSFET keinen Leitungskanal in der Halbleiterschicht, so dass kein Strom zwischen Source und Drain fließen kann. In dieser Situation wirkt der MOSFET wie ein Stromkreisunterbrecher und der Strom kann nicht durch ihn fließen. Kehren wir abschließend noch einmal zu den zahlreichen bereits erwähnten Bauelementen zurück, dann können wir am besten verstehen, warum der MOSFET die moderne Elektronik revolutioniert hat.
