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Das Stichwort ‘MOSFET’ nimmt im Wortschatz der modernen Elektronik einen besonderen Platz ein. Daher ist es wichtig, das Funktionsprinzip und die Parameter dieser nützlichen Transistoren zu kennen.
Sicherlich sind Sie schon einmal darüber gestolpert, dass ein bestimmter Typ von Computerprozessor oder Grafik-Coprozessor (GPU) aus einer bestimmten (in der Regel milliardenfachen) Anzahl von Transistoren besteht. Im Alltag machen wir uns jedoch selten Gedanken darüber, wie diese grundlegenden Bausteine der modernen Digitaltechnik funktionieren und warum sie zu den Bausteinen der Hochleistungsrecheneinheiten geworden sind, die in jedem Computer, Smartphone und sogar in einer Smartwatch zu finden sind. Heute werden wir Ihnen das Element vorstellen, das hinter dieser ganzen digitalen Revolution steht – wir besprechen MOSFET-Transistoren.
MOSFET-Transistor - Aufbau und Funktionsweise
Wir werden den Aufbau der Siliziumstruktur eines MOSFET Transistors am Beispiel eines N-MOSFET Transistors erörtern (über Elemente mit entgegengesetzter Polarität werden wir gleich noch schreiben).
Das Ganze basiert auf einem Substrat, das in Form einer dünnen Scheibe aus Siliziumkristall mit einer so genannten schwachen P-Dotierung hergestellt wird. In der Scheibe entstehen zwei Bereiche mit stark dotierten Halbleitern, die jedoch die entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen, d. h. in diesem Fall entsteht ein N-Halbleiter. Diese Bereiche werden als Quelle (S„, von englisch Source) und Auslass (“D“, von englisch Drain) bezeichnet.
Auf die Oberfläche zwischen den beiden Feldern wird eine dünne Isolatorschicht aufgesprüht, bei der es sich in der Regel um Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumoxid handelt (daher der Name Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, also MOSFET).
Auf der Außenseite des Dielektrikums wird eine dünne Metallschicht aufgebracht, die als Anschluss für eine dritte Elektrode dient – das so genannte Gate.
Wenn das Gate des Transistors nicht mit Spannung versorgt wird, kann der Strom zwischen Drain und Source praktisch nicht fließen – der Widerstand der D-S-Schaltung ist sehr hoch. Legt man eine kleine Spannung an das Gate an (in der Regel im Bereich von einigen wenigen bis mehreren Volt), so entsteht im Bereich unter der Gate-Elektrode ein elektrisches Feld, das zur Bildung einer so genannten Inversionsschicht führt. Das bedeutet, dass sich die Art der Leitfähigkeit in diesem Bereich ins Gegenteil ändert, d. h. (im Falle der besagten Struktur) von P zu N, d. h. die gleiche wie die des Drain und der Source. Und das reicht aus, um Strom durch den D-S-Schaltkreis fließen zu lassen – es bildet sich sozusagen ein N-‘Kanal’ im Substrat, daher der Name unseres heutigen Helden – der N-MOSFET.
N-MOSFET vs. P-MOSFET
Damit der N-MOSFET Transistor in der Drain-Source-Schaltung Strom leitet, muss eine positive Spannung an das Gate angelegt werden – es sei hinzugefügt, dass sowohl die Lastversorgungsspannung (die normalerweise zwischen dem Drain und dem positiven Pol der Versorgung, z. B. +12 V, eingeschaltet wird) als auch die Gate-Spannung mit dem Source-Potenzial zusammenhängen – dieses Ende ist in den meisten Fällen mit der Schaltungsmasse verbunden (natürlich nicht immer, da dies von der Art der Schaltung und ihrem Zweck abhängt).
Bei P-MOSFET-Transistoren sind sowohl der Aufbau der Halbleiterstruktur als auch die Richtungen der Spannungen und Ströme genau entgegengesetzt. Das Substrat besteht aus einem N-Typ-Halbleiter, während die Source- und Drain-Bereiche vom P-Typ sind. Auch die Spannungen sind umgekehrt „ausgerichtet“ – die Source des P-MOSFET liegt auf einem höheren Potenzial, während das Gate „ nach unten“ gebracht werden muss (mit einer Spannung, die um einige Volt unter dem Potenzial der Source liegt), damit der Strom von der Stromversorgung durch die Source und vom Drain zur Last fließen kann.
Vergleich von MOSFETs und bipolaren Transistoren
Wenn Sie das Funktionsprinzip von Bipolartransistoren (BJTs) des NPN– und PNP-Typs kennen, werden Sie zweifellos einige Ähnlichkeiten feststellen.
Der Hauptunterschied liegt in der Art und Weise, wie das Gate gesteuert wird – während die Basis von BJT-Transistoren einen bestimmten Strom benötigt, um zu fließen (der – multipliziert mit dem β-Koeffizienten – den resultierenden Kollektorstromwert ergibt, natürlich nur im linearen Betriebsbereich), fließt durch das Gate praktisch kein Strom. Genauer gesagt fließt fast kein Strom, da das Gate in seinem Verhalten einem kleinen Kondensator ähnelt – es ist in der Lage, einen kleinen Stromimpuls durchzulassen, aber nur während einer plötzlichen Änderung der Steuerspannung; in einem statischen Zustand fließt der Gate-Strom nicht mehr.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen BJT-Transistoren und MOSFETs liegt im Verhalten der gesteuerten Schaltung (Kollektor-Emitter bzw. Drain-Source). Es stellt sich heraus, dass sich diese Schaltung bei bipolaren Transistoren wie eine Stromquelle verhält (gesteuert durch den Basisstrom), während sie bei MOSFETs als eine Art “spannungsgesteuertes Potentiometer” wirkt – unter typischen Bedingungen kann die D-S-Schaltung als reiner Widerstand behandelt werden.
Warum brauchen wir mehr Arten von Transistoren?
Ein wichtiger Vorteil von MOSFETs ist gerade das Fehlen eines Stromflusses, der die ‘Eingangs’-Elektrode (Gate) steuert. Diese Eigenschaft hat dazu geführt, dass die Feldeffekttransistoren die BJTs aus den digitalen Schaltkreisen (TTL) verdrängt und vollständig durch die CMOS-Technologie ersetzt haben (bei der die einzelnen ‘Bausteine’ von Gates, Zählern oder Registern aus komplementären Paaren von MOSFET-Transistoren hergestellt werden). Es ist kein Zufall, dass wir vorhin darauf hingewiesen haben, dass das Gate eines MOSFET-Transistors nur während einer Spannungsänderung Strom zieht – das ist der Grund dafür, dass CMOS-Schaltungen bemerkenswert wenig Strom aus der Stromversorgung ziehen, obwohl der Wert dieses Stroms mit steigender Schaltfrequenz zunimmt. Bei sehr leistungsstarken Computerprozessoren, die Millionen (und mehr) von Transistoren enthalten, ergibt die Summe dieser winzigen Ströme einen ziemlich großen Strom, der – multipliziert mit der Versorgungsspannung – eine ziemlich große Leistung ergibt, die die Temperatur des Prozessors beträchtlich erhöhen kann. Aber das ist ein Thema für einen anderen Artikel.
Denken Sie daran, dass MOSFETs die Grundbausteine digitaler (und anderer) Schaltkreise sind und häufig als Laststeuerelemente (z. B. Relaisspulen oder Motorwicklungen) zu finden sind – wichtig ist, dass N-MOSFETs dank ihres geringen Stromverbrauchs nahtlos mit Mikrocontrollern zusammenarbeiten.
