Spis treści:
- 1 Geschichte des Transistors
- 2 Aufbau eines typischen unipolaren Transistors
- 3 MOSFET - grundlegende Informationen und Aufbau
- 4 Parameter von MOSFETs
- 5 Unterschiede - MOSFET und bipolarer Transistor
- 6 Vorsicht! Ursachen für Schäden an MOSFETs
- 7 Wo werden unipolare MOSFET-Transistoren eingesetzt?
- 8 Betriebsbedingungen der Transistoren
- 9 Wenn die Leitung des Transistors erfolgt
- 10 Anwendung von MOSFETs
- 11 Die beliebtesten MOSFET-Transistoren
- 12 Unipolare Transistoren (MOSFETs) – FAQ
In einem unipolaren Transistor wird der Strom durch ein elektrisches Feld gesteuert, und das Grundelement seiner Konstruktion ist ein Halbleiterkristall zusammen mit zwei Dioden. Diese Transistoren, die auch als Feldeffekttransistoren bezeichnet werden, sind Halbleiter und steuern die Strommenge, die durch sie fließt. Es gibt verschiedene Arten und Varianten von unipolaren Transistoren, aber MOSFETs sind die am häufigsten verwendeten. Ihr Hauptzweck besteht darin, als Schaltschlüssel für Komponenten zu dienen, die viel Strom verbrauchen.
Geschichte des Transistors
Die Geschichte des Transistors begann im Jahr 1925, als das erste Patent für dieses Gerät in mehreren Ländern der Welt erteilt wurde. Interessanterweise war der ursprüngliche Entwurf von Julius Edgar Lilienfeld (einem polnischen Physiker jüdischer Herkunft) ein Transistor, der in seiner Struktur den MOSFETs ähnelte. Dieses Modell blieb jedoch nur in der Entwurfsphase, vor allem weil die technologischen Möglichkeiten für seine Herstellung fehlten. Die ersten richtig hergestellten Transistoren erblickten erst nach 1950 das Licht der Welt.
Aufbau eines typischen unipolaren Transistors
Es ist sinnvoll, sich zunächst mit dem genauen Aufbau des unipolaren Transistors zu befassen. Sein Hauptbestandteil ist ein dotierter Halbleiterkristall mit zwei Elektroden. Eine davon ist die Source, bezeichnet mit dem Buchstaben S, und die andere ist die Drain, bezeichnet mit dem Buchstaben D. Zwischen diesen Elektroden bildet sich ein sogenannter Kanal, durch den der Strom fließt. Entlang des Kanals befindet sich eine dritte Elektrode, das Gate, symbolisiert durch den Buchstaben G.
MOSFET - grundlegende Informationen und Aufbau
Der MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ist die am weitesten verbreitete Variante des unipolaren Transistors. Er besteht aus einigen wenigen Grundelementen, die nur für dieses Gerät spezifisch sind. Dazu gehören das Gate G, die Source S, der Drain D, das Substrat B sowie Hilfsteile in Form des Halbleiters P und eines Isolators oder Raums für den N-Kanal.
Im Substrat in Form eines P- oder N-Halbleiterplättchens befinden sich zwei N+- oder P+-Bereiche, die aufgrund ihrer hohen Dotierung den Drain und die Source bilden. An diese werden die Kontakte angeschlossen. Zwischen Drain und Source liegt die Halbleiteroberfläche, die von einer mehrere Nanometer dünnen Isolatorschicht bedeckt ist. Das Gate wird durch Metall gebildet, das auf den Isolator gesputtert wird. Interessanterweise kann eine große elektrostatische Ladung (sie kann bis zu mehreren zehn Kilovolt betragen!) das Bauelement beschädigen, indem sie die dünne Isolierschicht durchbrennt. Um dies zu vermeiden, sind viele MOS-Transistoren in leitenden Folien untergebracht. Dieses Sicherheitsmerkmal verhindert, dass statische Elektrizität zu jeder Zeit direkt in die Schaltkreise gelangt.
Im Kanal fließt der Strom zwischen Drain und Source, und die Spannungsänderung auf der Source-Gate-Leitung ist für seine Steuerung verantwortlich. In der Elektronik gibt es zwei Arten von MOS-Transistoren: mit angereichertem Kanal und mit verarmtem Kanal. Ein angereicherter Kanal, der auch als induzierter Kanal bezeichnet wird, bildet sich nur, wenn die Spannung an der Gate-Source-Leitung eine Schwellenspannung von Ut überschreitet. Bei einem verarmten Kanal hingegen ist der Kanal auch dann vorhanden, wenn die Gate-Source-Spannung Null ist. Außerdem sind MOSFETs sehr schnell, insbesondere im Vergleich zu bipolaren Transistoren, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass die in ihnen auftretenden Phänomene rein elektrostatisch sind.
MOSFET-Transistoren sind so gepolt, dass ein Ladungsträger in Richtung von der Source zum Drain fließt, so dass es zwei Betriebsbereiche gibt: den Sättigungsbereich und den ungesättigten Bereich. Der Bereich wird durch die Spannung bestimmt, die sich in der Richtung von Drain zu Source entwickelt, und wenn diese größer als die Sättigungsspannung ist, befindet sich der Transistor im Sättigungsbereich.
Feldeffekttransistoren mit Sperrschicht
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, auch JFETs genannt, sind durch eine ganz andere Struktur als MOSFETs gekennzeichnet. Sie bestehen aus einem N- oder P-Halbleiter und einer dotierten Halbleiterschicht des entgegengesetzten Typs (P+ und N+), was zu einem p-n-Übergang führt. Drei Anschlüsse sind nach außen geführt in Form von Source S, Drain D und Gate G. Ein Feldeffekttransistor kann aufgrund seiner Eigenschaften in drei Bereichen arbeiten. Linear, wenn der Drain-Strom von der Spannung abhängt und sich daher wie ein Widerstand verhält. Sättigung, wenn der Drain-Strom nur von der Spannung an den Gate-Source-Leitungen abhängt und die Source-Drain-Spannung einen bestimmten Wert überschreiten muss, und Avalanche-Vervielfachung.
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, auch JFETs genannt, sind durch eine ganz andere Struktur als MOSFETs gekennzeichnet. Sie bestehen aus einem N- oder P-Halbleiter und einer dotierten Halbleiterschicht des entgegengesetzten Typs (P+ und N+), was zu einem p-n-Übergang führt. Drei Anschlüsse sind nach außen geführt in Form von Source S, Drain D und Gate G. Ein Feldeffekttransistor kann aufgrund seiner Eigenschaften in drei Bereichen arbeiten. Linear, wenn der Drain-Strom von der Spannung abhängt und sich daher wie ein Widerstand verhält. Sättigung, wenn der Drain-Strom nur von der Spannung an den Gate-Source-Leitungen abhängt und die Source-Drain-Spannung einen bestimmten Wert überschreiten muss, und Avalanche-Vervielfachung.
Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate
Bei den isolierten Modellen ist das Gate durch ein Dielektrikum oder eine Isolierschicht vom Kanal getrennt. Diese Transistoren bestehen aus drei Elektroden, nämlich dem Gate G (manchmal mehr als 1), dem Drain D und der Source S, und in einigen Fällen auch aus dem Substrat B als vierte Elektrode. Sehr häufig werden Feldeffekttransistoren als schnelle Schalter in Schaltnetzteilen, in integrierten Schaltungen und auch als diskrete Bauelemente eingesetzt. Interessanterweise gibt es zwei Arten von Isolierschichttransistoren, die sich in ihrer Herstellungstechnik unterscheiden. Der MISFET oder MOSFET (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein Modell, das aus einem monokristallinen Leiter mit einem Siliziumdioxid-Isolator besteht. Der TFT-Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (Dünnschichttransistor) hingegen wird aus einem polykristallinen Halbleiter hergestellt.
Parameter von MOSFETs
Jeder MOSFET-Transistor ist durch eine Reihe von Parametern gekennzeichnet, die bei der Auswahl eines bestimmten Modells berücksichtigt werden sollten.
Zu den wichtigsten gehört die zulässige Drain-Source-Spannung, die mit dem Symbol UDSmax bezeichnet wird. Ein zu hoher Wert für diesen Parameter kann Durchschläge verursachen, die zu einer vollständigen und irreversiblen Beschädigung des Transistors führen können.
Der zweite, ebenso wichtige und wesentliche Parameter ist der maximale Drainstrom, der mit dem Symbol IDmax bezeichnet wird. Wenn in einem MOSFET zu viel Strom fließt, kann es passieren, dass sowohl seine Struktur als auch seine internen Anschlüsse durchbrennen.
Der dritte Parameter ist die Öffnungsschwellenspannung, die mit UGSth symbolisiert wird und relativ einfach zu verstehen ist. Dies ist die Gate-Source-Spannung, bei der der Transistor beginnt, sich zu öffnen, d.h. wenn der Drainstrom 1mA erreicht. Daher kann man davon ausgehen, dass bei Gate-Spannungen unter UGSth der Transistor vollständig geschlossen bleibt, d.h. es fließt kein Strom durch den Drain, und der Widerstand ist sehr hoch. Wenn die Spannung allmählich ansteigt, nimmt der Widerstand ab, und der Transistor beginnt sich immer mehr zu öffnen. Dieses Phänomen hat mit dem vierten Parameter zu tun, der mit RDSon bezeichnet wird und den Widerstand zwischen Drain und Source bezeichnet.
Aus der Analyse der oben beschriebenen Parameter lässt sich ableiten, dass das beste MOSFET-Modell durch eine möglichst hohe Spannung UDSmax und gleichzeitig einen möglichst geringen Widerstand RDSon charakterisiert sein sollte
Drei Schlüsselparameter
Jeder MOSFET-Transistor ist durch eine Reihe von Parametern gekennzeichnet, die bei der Auswahl eines bestimmten Modells berücksichtigt werden sollten.
Zu den wichtigsten gehört die zulässige Drain-Source-Spannung, die mit folgendem Symbol bezeichnet wird: UDSmax. Ein zu hoher Wert für diesen Parameter kann Überschläge verursachen, die zu einer vollständigen und irreversiblen Beschädigung des Transistors führen können.
Drugim, równie ważnym i istotnym parametrem jest maksymalny przepływ odpływu, który oznaczany jest symbolem IDmax. Wenn in einem MOSFET zu viel Strom fließt, kann es passieren, dass sowohl seine Struktur als auch seine internen Anschlüsse durchbrennen.
Der dritte Parameter ist die Öffnungsschwellenspannung, die mit UGSth symbolisiert wird und relativ einfach zu verstehen ist. Dies ist die Gate-Source-Spannung, bei der der Transistor beginnt, sich zu öffnen, d.h. wenn der Drainstrom 1mA erreicht. Daher kann man davon ausgehen, dass bei Gate-Spannungen unter UGSth der Transistor vollständig geschlossen bleibt, d.h. es fließt kein Strom durch den Drain, und der Widerstand ist sehr hoch. Wenn die Spannung allmählich ansteigt, nimmt der Widerstand ab, und der Transistor beginnt sich immer mehr zu öffnen. Dieses Phänomen hat mit dem vierten Parameter zu tun, der mit RDSon bezeichnet wird und den Widerstand zwischen Drain und Source bezeichnet.
Aus der Analyse der oben beschriebenen Parameter lässt sich ableiten, dass das beste MOSFET-Modell durch eine möglichst hohe Spannung UDSmax und einen möglichst geringen Widerstand RDSon gekennzeichnet sein sollte.
Unterschiede - MOSFET und bipolarer Transistor
Die beschriebenen MOSFET-Transistoren unterscheiden sich von den bipolaren Transistoren in einer Eigenschaft, nämlich dass bei letzteren der Kollektorstrom ebenfalls mit steigender Temperatur zunimmt, was eine direkte Parallelschaltung mehrerer Transistoren unmöglich machen kann. In diesem Fall müssen Ausgleichswiderstände im Emitter eingesetzt werden, da sonst die einzelnen Transistoren bei starker Belastung nacheinander durchbrennen und dadurch vollständig und irreversibel zerstört werden.
Vorsicht! Ursachen für Schäden an MOSFETs
MOSFET-Transistoren (unipolare Transistoren) sind aufgrund ihres technischen Aufbaus sehr empfindlich gegenüber elektrostatischer Aufladung, was im Gegensatz zu den sehr langlebigen bipolaren Transistoren steht. Die maximale Spannung des UGS liegt bei den meisten Modellen in der Regel bei etwa 20 V, was bedeutet, dass sie leicht überschritten werden kann, ohne dass man sich dessen bewusst wird, selbst wenn man den Transistor in einem völlig trockenen Raum berührt. Transistoren werden nicht ohne Grund in antistatischen Beuteln aufbewahrt, manchmal auch in schwarzem leitfähigem Schwamm.
Wo werden unipolare MOSFET-Transistoren eingesetzt?
Wir wollen sehen, in welchen Situationen MOSFETs am besten funktionieren. Erstens ist die Stromversorgung wichtig. MOSFETs funktionieren am besten, wenn sie mit einer sehr niedrigen Spannung versorgt werden. Ihre Konstruktion ermöglicht dies – sie benötigen für den Betrieb eine Spannung von nur 0,7 V, bei der der unipolare Transistor jedoch noch nicht vollständig geöffnet ist.
Da der Treiber nur den MOSFET-Transistor mit einem hohen Potenzial versorgen kann und nicht den Strom selbst, eignen sich diese Geräte am besten für die Steuerung von Lasten, die viele Ampere ziehen. Um den Transistor vollständig zu öffnen, muss eine Spannung angelegt werden, die um ein Vielfaches höher ist als die Schwellenspannung (die so genannte Einschaltspannung) und die dann zwischen Gate und Source angelegt wird. Unipolare Transistoren eignen sich hervorragend für Entwürfe, bei denen es auf die Stromaufnahme ankommt, denn bei einigen batteriebetriebenen Schaltungen kann eine Stromaufnahme von wenigen Mikrometern einen großen Unterschied ausmachen. Im MOSFET-Transistor liegt eine feste Spannung von etwa 0,2 V an, die sich jedoch bei Hochleistungsmodellen manchmal vervielfacht. Diese Spannung wird zwischen Kollektor und Emitter angelegt, und zwar dann, wenn der MOSFET vollständig gesättigt ist. Der Spannungsabfall an diesem Transistortyp hängt vom fließenden Strom ab, da ihre Charakteristik nur ein offener Kanalwiderstand ist.
Betriebsbedingungen der Transistoren
Im Allgemeinen werden die Bedingungen für einen ordnungsgemäßen Transistorbetrieb durch verschiedene Faktoren eingeschränkt. Zu nennen sind hier die zulässige Kollektorspannung und der zulässige Kollektorstrom sowie die maximale Verlustleistung, deren Überschreitung zum Durchbrennen des Transistors führen kann. Ebenso wichtig ist jedoch das Phänomen des so genannten zweiten Durchschlags, der bei MOSFETs nicht auftritt. Ihre Langlebigkeit bedeutet, dass sie auch unter rauen Bedingungen arbeiten können und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen aufweisen.
Wenn die Leitung des Transistors erfolgt
Viele Menschen fragen sich, wann die Stromleitung beginnt – wie hoch muss die Gate-Source-Spannung sein, damit dieses Phänomen auftritt? Nun, der entscheidende Parameter ist in diesem Fall die Schwellenspannung, die mit dem Symbol UT bezeichnet wird. Transistorhersteller geben diesen Parameter immer bei einem festen Drainstrom an, der mit ID bezeichnet wird. Anhand dieser Information können wir ableiten, dass der Strom zu fließen beginnt, aber wir können es nicht genau sagen. Und warum? Nun, jeder Transistorhersteller definiert die Schwellenspannung auf andere Weise.
Anwendung von MOSFETs
MOSFETs sind sehr vielseitig einsetzbar, werden aber am häufigsten als Verstärker oder Schalter für die Spannungssteuerung verwendet, da sie einen sehr geringen Leistungsbedarf haben. Ihr Vorteil bei dieser Verwendung ist der geringe Gatestromverbrauch und der niedrige Widerstand des offenen Kanals, was sich in wesentlich geringeren Verlusten niederschlägt. Darüber hinaus werden MOSFET-Transistoren auch für Niederspannungsschaltungen empfohlen. Ein ebenso typisches Anwendungsgebiet für die beschriebenen Elemente sind Mikroprozessoren, Speicher sowie CMOS-Gates (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), eine Technologie zur Herstellung integrierter Schaltungen.
MOSFETs sind sehr vielseitig einsetzbar, werden aber am häufigsten als Verstärker oder Schalter zur Spannungssteuerung verwendet, da sie einen sehr geringen Energiebedarf haben. Ihr Vorteil bei dieser Verwendung ist der geringe Gatestromverbrauch und der niedrige Widerstand des offenen Kanals, was sich in wesentlich geringeren Verlusten niederschlägt. Darüber hinaus werden MOSFET-Transistoren auch für Niederspannungsschaltungen empfohlen. Ein ebenso typisches Anwendungsgebiet für die beschriebenen Elemente sind Mikroprozessoren, Speicher sowie CMOS-Gates (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), eine Technologie zur Herstellung integrierter Schaltungen.
Interessant ist, dass MOSFET-Transistoren sowohl zum Schalten von LEDs verwendet werden können, die nur wenige Milliampere benötigen, als auch zur Steuerung von Motoren, die mit höheren Spannungen arbeiten und einen viel höheren Strom verbrauchen. Das ist aber noch nicht alles. MOSFETs werden auch bei der Konstruktion von Antrieben mit variabler Frequenz und für Spannungsgeneratorschaltungen verwendet, wo sie als spannungsgesteuerte Potentiometer dienen. Denn unipolare Transistoren können sich wie spannungsgesteuerte Widerstände verhalten. Darüber hinaus eignen sich diese Elemente ideal als Konstantstromquellen, so dass sie in Funksystemen und Hochstromnetzen eingesetzt werden können. Aufgrund ihrer hohen Impedanz und Schaltgeschwindigkeit sind MOSFET-Transistoren ideal für den Bereich der digitalen Elektronik geeignet.
MOSFETs sind sehr vielseitig einsetzbar, werden aber am häufigsten als Verstärker oder Schalter zur Spannungssteuerung verwendet, da sie einen sehr geringen Energiebedarf haben. Ihr Vorteil bei dieser Verwendung ist der geringe Stromverbrauch des Gates und der niedrige Widerstand des offenen Kanals, was sich in wesentlich geringeren Verlusten niederschlägt. Darüber hinaus werden MOSFET-Transistoren auch für Niederspannungsschaltungen empfohlen. Ein ebenso typisches Anwendungsgebiet für die beschriebenen Elemente sind Mikroprozessoren, Speicher sowie CMOS-Gates (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), eine Technologie zur Herstellung integrierter Schaltungen.
Interessant ist, dass MOSFET-Transistoren sowohl zum Schalten von LEDs verwendet werden können, die nur wenige Milliampere benötigen, als auch zur Steuerung von Motoren, die mit höheren Spannungen arbeiten und einen viel höheren Strom verbrauchen. Das ist aber noch nicht alles. MOSFETs werden auch bei der Konstruktion von Antrieben mit variabler Frequenz und für Spannungsgeneratorschaltungen verwendet, wo sie als spannungsgesteuerte Potentiometer dienen. Denn unipolare Transistoren können sich wie spannungsgesteuerte Widerstände verhalten. Darüber hinaus eignen sich diese Elemente ideal als Konstantstromquellen, so dass sie in Funksystemen und Hochstromnetzen eingesetzt werden können. Aufgrund ihrer hohen Impedanz und Schaltgeschwindigkeit sind MOSFET-Transistoren ideal für den Bereich der digitalen Elektronik geeignet.
Die beliebtesten MOSFET-Transistoren
Auf dem Markt gibt es eine breite Palette verschiedener MOSFET-Typen, zu den beliebtesten gehören die Modelle IRFZ44N, IRL2703 und BSS123. Jeder von ihnen hat seine eigenen Vorteile, die es zu erkunden gilt, um eine für die individuellen Bedürfnisse perfekt geeignete Variante auszuwählen.
Transistor MOSFET IRFZ44N
Der größte Vorteil des Mosfet-Transistors IRFZ44N ist der niedrige offene Kanalwiderstand von 17,5 mΩ und die Fähigkeit, einen hohen Strom von bis zu 49 A zu leiten. Der Schwachpunkt dieses Modells ist jedoch die recht hohe Schwellenspannung, weshalb empfohlen wird, ihn mit einer höheren Spannung (12 V) zu steuern.
Transistor MOSFET IRL2703
Der MOSFET-Transistor IRL2703 ist schwächer als das obige Modell, da sein maximaler Drainstrom 24A beträgt, aber er hat einen höheren offenen Kanalwiderstand von 40mΩ. Außerdem hat diese Variante eine Schwellenspannung von etwa 1V, so dass sie direkt von einem mit 5V versorgten Mikrocontroller gesteuert werden kann.
Transistor MOSFET BSS123
Der BSS123 hat einen offenen Kanalwiderstand von 10Ω (Spannung zwischen Gate und Source), der maximale Drainstrom beträgt 170mA. Der Transistor ist in einem kleinen, flachen SMD-Gehäuse (Surface Mount Device) zur Oberflächenmontage mit Lötösen an den Seiten erhältlich.
Zusammenfassung
Unipolare MOSFET-Transistoren sind eine Gruppe sehr praktischer Bauteile, deren Einsatz sich auf jeden Fall lohnt. Ihre Stärke liegt in ihrer hohen Widerstandsfähigkeit und ihrer geringen Anfälligkeit für Beschädigungen, wodurch sie in den meisten Fällen einen effizienten Betrieb auch unter rauen und schwierigen Betriebsbedingungen gewährleisten. Bei MOSFETs sind Schäden durch statische Aufladung bei Leistungstransistoren äußerst selten. Bei kleinen MOSFETs hingegen ist zu bedenken, dass es sich um recht empfindliche Geräte handelt, die leicht beschädigt werden können, so dass es ratsam ist, sie vorsichtig zu behandeln und vor allem richtig zu lagern. Am besten ist es, einen schwarzen, leitfähigen Schwamm zu verwenden. Vor der Installation ist es wichtig, sowohl den Arbeitsplatz als auch die Spitze des Lötkolbens zu erden und den Körper zu entladen. Durch eine solche Sorgfalt lassen sich mögliche Schäden sicher vermeiden. Außerdem ist es wichtig, dass MOSFET-Transistoren zu Schaltkreisen gehören, in denen der fließende Strom vom Wert der an sie angelegten Spannung abhängt, da diese Elemente praktisch keinen Strom von der Steuerquelle beziehen.
In diesem Artikel haben wir versucht, alle Informationen zu vermitteln, die ein Elektroniker benötigt, um MOSFET-Transistoren richtig einzusetzen. Das Kennenlernen ihrer spezifischen Eigenschaften wird sicherlich für jeden Interessierten von Nutzen sein, da sowohl Heimwerker als auch Bauherren MOSFET-Transistoren als Schalter zur Spannungssteuerung in praktisch allen Arten von Geräten oder Maschinen verwenden können.
