Was ist ein MOSFET?
Ein MOSFET ist eines der Halbleiterbauelemente und eine Art Transistor, die in elektronischen Geräten unverzichtbar sind.
MOS steht für „Metal Oxide Semiconductor“, während FET für „Field-Effect Transistor“ steht.
MOSFETs führen im Wesentlichen Ein-Aus-Schalt- und Signalverstärkungsvorgänge durch. Ihr Vorteil ist, dass sie sehr schnell arbeiten und sich für eine präzise Steuerung eignen.
Früher wurden die Halbleiterbauelemente von hochpoligen Transistoren dominiert. Mit dem zunehmenden Bedarf an kleineren, leichteren und leistungsfähigeren Bauelementen haben sich MOSFETs in den letzten Jahren jedoch zum Standard-Halbleiterbauelement entwickelt.
Anwendungen von MOSFETs
MOSFETs werden als Transistoren für den Aufbau elektronischer Schaltungen für verschiedene ICs und LSIs verwendet.
Zu den diskreten Anwendungen gehören Leistungselektronik, Sensoren und andere Industrien sowie Stromversorgungssysteme und Wechselrichter. Verschiedene LSIs werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, darunter Mikrocontroller für Automobile und Informationsgeräte, mobile Endgeräte wie Smartphones und Tablets, PC-Speicher und CPUs für verschiedene Computer.
MOSFETs sind in neueren Produkten unverzichtbar, weil sie kleiner, leichter und integrierter werden können.
Funktionsweise von MOSFETs
MOSFETs haben drei Anschlüsse (Elektroden), die jeweils als „Drain“, „Gate“ und „Source“ bezeichnet werden. Der MOSFET hat die Eigenschaft, Strom zu leiten, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird und er kann durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode ein- und ausgeschaltet oder als Transistor verstärkt werden.
Es gibt zwei Arten von MOSFETs: N-Kanal (N-Ch)-Typ und P-Kanal (P-Ch)-Typ:
- N-Kanal (N-Ch) Typ
Der Strom fließt durch Anlegen einer Spannung an das Gate, die positiver ist als das Source-Potenzial. - P-Kanal (P-Ch)-Typ
Der N-Kanal-Typ (N-Ch) wird häufig verwendet, da er in Bezug auf Leistung und Schaltungsaufbau günstiger ist.
CMOS-Transistoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), die in digitalen Schaltungen, Speicher-ICs und Sensoren weit verbreitet sind, haben eine p-Typ-MOS- und n-Typ-MOS-Struktur. MOSFETs haben eine hohe Betriebsgeschwindigkeit, die ein schnelles Schalten ermöglicht.
Aufgrund ihrer geringen Antriebsleistung sind sie auch für den Hochfrequenzbetrieb geeignet. Obwohl sie anfällig für hohe Ströme sind, haben sie sich aufgrund ihrer einfachen Integration und Handhabung in den letzten Jahren zu einem der wichtigsten Bauelemente entwickelt.
Arten von MOSFETs
MOSFETs gibt es als p-Typ und n-Typ und sie werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Betriebseigenschaften in Normal-Aus-Typ und Normal-An-Typ unterteilt:
1. Normal-Aus-Typ
Normal-Aus-Typ, d. h. es fließt kein Strom zwischen Source und Drain, wenn keine Spannung am Gate anliegt.
2. Normal-An-Typ
Normal-An-Typ, d.h. es fließt ein Strom zwischen Source und Drain, auch wenn keine Spannung an das Gate angelegt wird.
Es gibt zwei Arten von MOSFETs, wobei der Normal-Aus-Typ-MOSFET am häufigsten für Schaltanwendungen verwendet wird. Die ersten MOSFETs, die entwickelt wurden, waren Normal-An-Typ-MOSFETs, die heute nur noch in sehr begrenzten Anwendungen eingesetzt werden.
Nehmen wir zum Beispiel an, dass in einer Schaltung eine negative Versorgungsspannung vorhanden sein muss. Wenn -5 V erzeugt werden, wird das Gate des Normal-An-Typs hier mit einem Widerstand von etwa 10 kΩ angeschlossen.
Wenn die negative Spannung -5 V korrekt ausgegeben wird, fließt normalerweise kein Strom zwischen Source und Drain des Normal-An-Typs, aber wenn die negative Versorgung aufgrund einer Anomalie nicht korrekt ausgegeben wird, fließt Strom zwischen Source und Drain, so dass ein Alarm ausgegeben werden kann.
Auswahl eines MOSFETs
Der wichtigste Faktor bei der Auswahl eines MOSFETs ist der absolute Höchstwert der Source-Drain-Stehspannung VDSS. Denn je höher die Stehspannung eines MOSFETs ist, desto höher ist in der Regel auch sein On-Widerstand. Wenn die optimale Stehspannung nicht mit einem Spielraum für die Systemanwendung gewählt wird, ist der Durchlasswiderstand unnötig hoch, was zu einer erhöhten Leistungsaufnahme des Systems führt.
Wenn die zwischen Source und Drain anliegende Spannung nahezu konstant ist, kann die Auswahl problemlos erfolgen, aber das Problem besteht darin, Überspannungen zu berücksichtigen. Wenn Überspannungen berücksichtigt werden, muss mit einer Marge gerechnet werden, die ein Mehrfaches der Nennleistung im stationären Zustand beträgt.
Selbst MOSFETs mit der gleichen Stehspannung haben unterschiedliche Stehvermögen für Lawinenströme und Lawinenenergie. Die Auswahl eines MOSFETs mit hoher Avalanche-Festigkeit führt zu einem MOSFET mit geringerer Durchbruchspannung und geringerem Durchlasswiderstand.
Weitere Informationen zu MOSFETs
1. Kompatibilität mit IGBTs
Si-MOSFETs eignen sich nicht für hohe Ströme und für Leistungsanwendungen wie Hochspannungsbetrieb über 2 V und Inverterschaltungen für hohe Ströme sind IGBTs, die einen MOSFET am Gate und einen Bipolartransistor am Ausgang integrieren, besser geeignet.
IGBTs sind komplexe Bauelemente, die in der Regel eine Gate-Treiberschaltung erfordern und schwieriger zu handhaben sind als MOSFETs, da sie einen SOA (Safety Operation Area) und Schutzschaltungen für ihre Transistoren benötigen, die bei Überschreiten ihrer absoluten Höchstwerte durchbrechen können.
In letzter Zeit haben sich SiC-MOSFETs durchgesetzt, die als MOSFET-Substrat SiC-Verbindungshalbleiter anstelle von Si verwenden und eine größere Bandlücke in den Materialeigenschaften aufweisen. Diese Bauelemente haben Vor- und Nachteile, auch in Bezug auf die Kosten, so dass sie vorläufig je nach ihrer Anwendung auf dem Markt unterschieden werden.
2. Informationen über SOI-CMOS
MOSFETs wurden durch die Miniaturisierung des Prozesses in Bezug auf den On-Widerstand und andere Eigenschaften verbessert und es wurden auch hohe Frequenzen unterstützt. Traditionell wurden CMOS-Strukturen mit Wannenschichten auf p-Typ (oder n-Typ) Si-Substraten, den so genannten Bulk-Substraten, hergestellt.
Der Bedarf an Hochfrequenz-Bauelementen, insbesondere für mobile HF-Anwendungen, hat jedoch zur Einführung von CMOS-Bauelementen mit verbesserten Hochfrequenzeigenschaften geführt, indem anstelle eines Si-Bulk-Substrats eine BOX-Schicht aus isolierenden Schichten, SOI (Silicon On Insulator) genannt, eingeführt wurde, um die Substratisolierung zu erhöhen und den für MOSFETs typischen Leckagepfad zu unterdrücken. Inzwischen gibt es CMOS-Bauelemente mit verbesserten Hochfrequenzeigenschaften.
Diese werden als SOI-CMOS bezeichnet und ziehen als Bauelemente mit hoher Betriebsgeschwindigkeit und geringen Verlusten die Aufmerksamkeit auf sich.
3. Prozessminiaturisierung von MOSFETs
MOSFETs zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie Halbleiterbauelemente mit geringem Stromverbrauch sind und sich für die Integration in großem Maßstab eignen. Durch Verkleinerung der Prozessabmessungen können die Transistoren jedoch mit höheren Geschwindigkeiten und niedrigeren Spannungen betrieben werden und auch der Integrationsgrad der Schaltungen kann drastisch erhöht werden.
Bei den oben erwähnten digitalen Großprozessoren, die CMOS verwenden und bei denen die Integration besonders wichtig ist, sollen die Prozessabmessungen ab 2022 bei 3 nm liegen, verglichen mit 100 nm Anfang der 2000er Jahre, und die Struktur verwendet einen hochmodernen Prozess namens FinFET, der Innovationen in der Querschnittsstruktur der Transistoren beinhaltet.
Obwohl es viele Aspekte gibt, die es schwierig machen, eine weitere Miniaturisierung in der Zukunft vorherzusagen, ist ein technologischer Trend, der aktiv in Betracht gezogen wird, die Einführung einer dreidimensionalen Chip-Montagetechnologie, die als Multi-Chip-Struktur-Chiplet bekannt ist, hauptsächlich von Forschungs- und Entwicklungsorganisationen in der ganzen Welt.