2.11 Der MOS-Feldeffekttransistor
2.11.1 Prinzipieller Aufbau, Anschlüsse, Schaltzeichen
Der MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET) unterscheidet sich vom J-FET vor allem durch den unterschiedlichen Aufbau im Bereich des Gate´s. Dieses ist vom Kanal durch einen Isolator getrennt. Als Isolator wird Siliziumoxid (SiO2) verwendet.
Zusätzlich zu den drei Anschlüssen Gate, Source und Drain entsteht aufgrund des Aufbaus ein zusätzlicher Anschluss, der als „Bulk“ bezeichnet wird. Dieser wird jedoch nicht als eigener Anschluss aus dem Gehäuse nach außen geführt, sondern ist mit dem Anschluss Source verbunden.
Zunächst können MOS-FET´s wieder in die beiden Typen
n-Kanal MOS-FET
p-Kanal MOS-FET
eingeteilt werden.
Zusätzlich gibt es noch eine Unterscheidung aufgrund des Kanalaufbaus. Dieser kann entweder bereits bei der Herstellung durch entsprechende Dotierung erzeugt werden. Er kann aber auch erst durch die Spannung am Gateanschluss entstehen.
Im ersten Fall spricht man von einem selbstleitenden MOS-FET (depletion-type, normally-on-type) oder „Verarmungstyp“, bei dem durch Anlegen einer Spannung am Gate der Kanal an Ladungsträgern „verarmt“ und dadurch abgebaut wird.
Im zweiten Fall handelt es sich um einen selbstsperrenden MOS-FET (enhancement-type, normally-off-type) oder „Anreicherungstyp“, bei dem durch Anlegen einer Spannung am Gate der Kanal durch „Anreicherung“ von Ladungsträgern erst entsteht.
Es gibt daher durch entsprechende Kombination 4 Typen von MOS-FET´s:
selbstleitender n-Kanal MOS-FET
selbstsperrender n-Kanal MOS-FET
selbstleitender p-Kanal MOS-FET
selbstsperrender p-Kanal MOS-FET
In einem Schaltplan werden folgende Schaltzeichen verwendet:
Es gibt auch Messgeräte für MOSFET sowie Transistoren. Zum Beispiel den Transistor-MOSFET-Kit
ein Messgerät, das unterschiedliche Halbleiter Testen und Messen kann.
2.11.2 Prinzipielle Funktion eines selbstleitenden MOS-FET´s
2.11.2.1 Schaltung
Anmerkung: für die Funktionserklärung wird immer ein n-Kanal MOS-FET herangezogen, bei einem
p-Kanal MOS-FET müssen nur die Spannungen mit umgekehrter Polarität angelegt werden und der Strom fließt in die entgegengesetzte Richtung.
Zur Erklärung der Funktion wird folgende Schaltung verwendet:
Anmerkung: die nächsten drei Bilder zeigen nur die Verhältnisse im MOS-FET selbst. Für den Betrieb ist natürlich die gesamte Schaltung laut Bild 2-128 mit dem Widerstand RD und der Spannungsquelle UB erforderlich.
2.11.2.2 Funktion
Bei einem selbstleitenden MOS-FET wird der Kanal bereits bei der Herstellung durch eine entsprechende Dotierung erzeugt. Damit ist bereits bei einer Steuerspannung UGS = 0 ein Stromfluss zwischen Source und Drain möglich. Der Strom ID ist in diesem Fall maximal und es gilt: ID = IDSS
Liegt beim selbstleitenden MOS-FET keine Steuerspannung zwischen Gate und Source, dann
ist der Drainstrom maximal.
Wird der Betrag der Spannung UGS jedoch erhöht, d.h. das Potenzial am Gate wird negativ gegenüber dem Source-Anschluss, dann entsteht im Inneren des MOS-FET´s ein elektrisches Feld, das die freien Ladungsträger aus dem Kanal in das Substrat zieht. Der Kanal „verarmt“ dadurch an freien Ladungsträgern und der Stromfluss zwischen Source und Drain wird geringer (ID < IDSS).
Wird eine Spannung zwischen Gate und Source angelegt, dann werden freie Ladungsträger
aus dem Kanal in das Substrat gezogen, durch die „Verarmung“ an Ladungsträgern sinkt
der Drainstrom ab.
Erreicht die Spannung UGS die Gate-Sättigungsspannung UP, dann enthält der Kanal keine freien Ladungsträger mehr und der Stromfluss zwischen Source und Drain ist unterbunden (ID = 0). Der Kanal verschwindet dadurch scheinbar.
Erreicht die Spannung UGS die Gate-Sättigungsspannung, dann verschwindet der Kanal völlig
und der Strom ID wird gleich null.
2.11.3 Kennlinienfeld eines selbstleitenden MOS-FET´s
Beim Betrieb eines selbstleitenden MOS-FET´s sind folgende elektrische Größen von Bedeutung:
Spannung UGS
Strom ID
Spannung UDS
Ihre Abhängigkeit kann durch zwei Kennlinien dargestellt werden:
Steuerungskennlinie: ID = f (UGS)
Ausgangskennlinienfeld: ID = f (UDS) bei UGS = konstant
Für die Kennlinien des selbstleitenden n-Kanal MOS-FET´s ergeben sich ähnliche Verläufe wie für den
n-Kanal J-FET.
2.11.4 Prinzipielle Funktion eines selbstsperrenden MOS-FET´s
2.11.4.1 Schaltung
Zur Erklärung der Funktion wird folgende Schaltung verwendet:
Anmerkung: die nächsten drei Bilder zeigen nur die Verhältnisse im MOS-FET selbst. Für den Betrieb ist natürlich die gesamte Schaltung laut Bild 2-133 mit dem Widerstand RD und der Spannungsquelle UB erforderlich.
2.11.4.2 Funktion
Bei einem selbstsperrenden MOS-FET befindet sich zwischen Source und Drain ohne eine Steuerspannung kein Kanal. Damit kann auch kein Strom fließen und es gilt: ID = 0. Im Substrat befinden sich jedoch freie Elektronen, die im p-Halbleiter Minoritätsträger darstellen.
Liegt zwischen Gate und Source keine Steuerspannung an, dann existiert kein Kanal und
der Drainstrom ist gleich null.
Wird die Spannung UGS erhöht, dann bildet sich ein elektrisches Feld, das auf die Minoritätsträger eine anziehende Wirkung ausübt und sie zum Gate-Anschluss zieht. Hier rekombinieren sie mit den Löchern des p-Halbleiters. Zu diesem Zeitpunkt ist noch kein Stromfluss zwischen Source und Drain möglich (ID = 0).
Bei Erhöhung der Steuerspannung UGS werden Minoritätsträger aus dem Substrat in Richtung
Gate gezogen, ein Stromfluss ist aber noch nicht möglich.
Sobald die Spannung UGS einen bestimmten Wert überschreitet, haben sich so viele freie Elektronen im Bereich des Gate´s angesammelt, dass sie die Mehrheit an Ladungsträgern stellen. Es bildet sich daher durch „Anreicherung“ ein Gebiet, das wie ein Kanal wirkt und einen Stromfluss zwischen Source und Drain ermöglicht (ID > 0). Der Spannungswert, der überschritten werden muss, ist vom jeweiligen MOS-FET abhängig und wird als Schwellspannung Uth (treshold voltage) bezeichnet.
Überschreitet die Steuerspannung die Schwellspannung Uth, dann hat sich durch Anreicherung
eine Zone gebildet, die wie ein Kanal wirkt. Damit kann Strom zwischen Source und Drain fließen.
2.11.5 Kennlinie eines selbstsperrenden MOS-FET´s
Beim Betrieb eines selbstsperrenden MOS-FET´s sind folgende elektrische Größen von Bedeutung:
Spannung UGS
Strom ID
Ihre Abhängigkeit kann durch eine Kennlinie dargestellt werden:
Steuerungskennlinie: ID = f (UGS)
Für die Steuerungskennlinie ergibt sich folgender Verlauf:
Anmerkung: das Ausgangskennlinienfeld des selbstsperrenden MOS-FET´s weist den gleichen Verlauf wie das des selbstleitenden MOS-FET´s auf.
2.11.6 Anwendung von MOS-FET´s
Selbstleitende MOS-FET´s werden hauptsächlich in Verstärkerschaltungen angewendet. Sie weisen einen Eingangswiderstand auf, der um einige Größenordnungen über jenen eines J-FET´s liegt und Werte bis 1GΩ erreichen kann.
Selbstsperrende MOS-FET´s werden hauptsächlich als elektronische Schalter verwendet. Sie weisen gegenüber Bipolartransistoren den Vorteil auf, dass sie ähnlich hohe Ströme leiten können, für die Ansteuerung aber nahezu keine Leistung benötigen. Derartige MOS-FET´s werden als sogenannte „Power MOS-FET´s“ bezeichnet.
Ein zweites Anwendungsgebiet ist die Digitaltechnik. Es gibt integrierte Schaltungen (IC) in „NMOS-Technik“, in „PMOS-Technik“ und „CMOS-Technik“. Die Bezeichnung leitet sich von den verwendeten MOS-FET Typen ab:
NMOS: Realisierung durch n-Kanal MOS-FET´s
PMOS: Realisierung durch p-Kanal MOS-FET´s
CMOS: Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor, n-Kanal und p-Kanal MOS-FET´s werden gemeinsam verwendet
Besonders wichtig für batteriebetriebene Geräte sind integrierte Schaltungen in CMOS-Technik. Bei dieser Technik ist der Strombedarf besonders gering.
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