Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFET ist die Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor (auch: Silicon) Field Effect Transistor (engl. für „Metall-Oxid-Halbleiter-/-Silizium-Feldeffekttransistor“). Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass in modernen Prozessen kein Oxid unter dem Gate verwendet wird, wird auch die neutrale Bezeichnung MISFET für Metal insulator semiconductor FET oder IGFET für Insulated Gate FET verwendet.

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Ein MOSFET ist ein spannungsgesteuerter Transistor. Er besitzt drei Anschlüsse (Elektroden): G (Gate), D (Drain), S (Source). Bei einigen Bauformen wird ein zusätzlicher Anschluss B (Bulk) nach Außen geführt. Meist ist Bulk aber mit Source verbunden. Mit MOSFETs, die einen separaten Bulkanschluß besitzen, lassen sich zwischen Source und Drain kleinere Wechselspannungen analog steuern, da zwischen Gate und Bulk gesteuert wird.

Die Spannung zwischen Gate und Source (bzw. zum Bulk) steuert den Stromfluß zwischen Drain und Source. Durch das Gate fließt dabei (fast) kein statischer Strom. Allerdings ist ein, teilweise erheblicher, Lade- und Entladestrom in das Gate auf Grund der Umladung der Gatekapazität nötig, was bei Schalteranwendungen evtl. stromstarke Treiberstufen in der Leistungselektronik bei der V-FFET-Ansteuerung erfordert.

Geschichte

Historisch gesehen ist das Funktionsprinzip des MOSFETs wesentlich länger bekannt als das des Bipolartransistors. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 (von Julius Edgar Lilienfeld) und 1934 (Oskar Heil). Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 gefertigt, als mit dem Silizium/Siliziumdioxid ein Materialsystem zur Verfügung stand, mit dem sich eine reproduzierbar gute Halbleiter-Isolator-Grenzfläche herstellen ließ. Damit verbunden war die Abkehr vom Germanium als Basismaterial und steigende Anforderungen an die Fertigungsbedingungen (Reinräume, strenge Temperaturregime).

Aufbau und Funktionsweise

Siehe auch: Feldeffekttransistor. N-Kanal-MOSFET.png

Der Schlüssel zum Verständnis der MOS-Struktur liegt in der Entstehung eines leitenden Kanals unter dem Gate. Dieser Kanal stellt eine leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen Drain und Source her.

Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs: Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall (Substrat bzw. Bulk). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drainanschluss 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 (meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Den Gate-Anschluss des Transistors bildet eine leitende Schicht, die auf diesem Isolierstoff oberhalb des zukünftigen Kanals aufgetragen wird. Verwendung fand hier früher Aluminium, heute n+ (bzw. p+) dotiertes (entartetes) Polysilizium (Abkürzung für: polykristallines Silizium).

Durch diesen Aufbau bilden Gateanschluss, Isolierschicht und Bulkanschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Dabei wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Löcher). Dies wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung“ genannt. Ab einer bestimmten Spannung U_th (Threshold-Spannung, 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.

Prinzipiell sind Source- und Drainanschluss 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 Drainanschluss, die parallel zum eigentlichen Transistor liegt (Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den p-n-Übergang). Diese Diode ist als Pfeil im Schaltsymbol des Mosfets dargestellt und zeigt beim n-Kanal Mosfet vom Bulkanschluss zum Kanal. In einer Schaltung muss diese Diode immer in Sperrrichtung gepolt sein, da anderenfalls Drain- und Sourceanschluss über die Diode dauerhaft leitend verbunden bleiben.

Bauformen

Wie auch beim Bipolartransistor gibt es zwei komplementäre Bauformen: n-Kanal-MOSFET und p-Kanal-MOSFET. Diese können jeweils noch in selbstsperrende (enhancement transistor, „Anreicherungstyp“) und selbstleitende (depletion transistor, „Verarmungstyp“) Bauformen unterschieden werden. Weiterhin ist zwischen lateralen und vertikalen Bauformen zu unterscheiden. Während laterale Transistoren vorwiegend in der Nachrichtentechnik zum Einsatz kommen, findet sich die vertikale Bauform überwiegend in der Leistungselektronik wieder. Der Vorteil der vertikalen Struktur liegt in der höheren möglichen Sperrspannung der Bauelemente (Beispiel CoolMOS von Infineon). Der CoolMOS stellt dabei eine Weiterentwicklung des bekannten VMOS dar. Er gehört zu den Kompensations- oder Super-Junction-Bauelementen.

Vor- und Nachteile

Ein Nachteil des MOSFET liegt in seinen prinzipiell schlechten Hochfrequenzeigenschaften aufgrund der geringen Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal, dabei besitzen Elektronen eine höhere Beweglichkeit als Löcher. Erst durch die extreme Verkleinerung (Skalierung) des Bauelementes in den Deep-Submikrometerbereich wird der MOSFET für Anwendungen oberhalb von 1 GHz interessant. Er ist außerdem wegen seines einfachen Herstellungsprozesses (CMOS-Prozess) besonders für integrierte Schaltungen geeignet.

In Leistungsanwendungen ist der sog. Power MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten und geringer Schaltverluste den Bipolartransistoren und IGBTs überlegen. Er erreicht jedoch nicht deren hohe Sperrspannungen. Gegenüber bipolarer Technik besitzt die Drain-Source-Strecke des MOSFET eine reine Widerstandscharakteristik, die den statischen Spannungsabfall und die statische Verlustleistung im Betrieb bestimmt. Erst dadurch werden die hohen Wirkungsgrade von leistungselektronischen Schaltungen besonders bei niedrigen Spannungen und Batteriebetrieb möglich (vgl. Synchrongleichrichter). Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren besitzt die Drain-Source-Strecke des MOSFET ein positives Temperaturverhalten. Dadurch kann man mehrere MOSFET ohne zusätzliche symmetrierende Maßnahmen parallel schalten, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen und den Spannungsabfall zu verringern. Leistungs-MOSFETs auf Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 800 V und Strömen von bis zu mehreren 100 A eingesetzt. Einsatzgebiete von Silizium-MOSFETs sind u. a. Schaltnetzteile, Synchrongleichrichter, getaktete Strom- und Spannungsregler und auch starke Hochfrequenzsender bis in den UKW-Bereich. In Sonderanwendungen werden Schaltzeiten von nur einigen Nanosekunden bei Spannungen von mehreren Kilovolt durch Reihenschaltung realisiert.

Standardbauteile

BS170 selbstsperrender n-Kanal

P_max=0,83 W I_D≤500 mA U_DS≤60 V U_th≈+2 V (TO-92)

BS250 selbstsperrender p-Kanal

P_max=0,83 W I_D≤180 mA U_DS≤60 V U_th≈-2 V (TO-92)

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