Handout - fritzler

MOSFET
1 Aufbau eines N-Kanal MOSFETs
Es besteht aus einem p-leitenden Kristall, dem sogenannten Substrat. In dieses Substrat sind
zwei n-leitende Inseln eindotiert. Das ganze Kristall erhält eine Abdeckschicht aus
Siliziumdioxid (SiO2). Die SiO2-Schicht ist hochisolierend und verhältnismäßig spannungsfest.
Auf diese Isolierschicht wird eine Aluminumschicht als Gateelektrode ausgedampft. Die
Substract erhält einen besonderen Anschluss B. Dieses Anschluss ist entweder im Gehäuse
mit dem Sourceanschluss S verbunden oder wird aus dem Gehäuse herausgeführt.
Legt man an den Drainanschluss eine positive Spannung gegen den Sourceanschluss, so
fließt kein Strom. Polt man die Spannung um, so fließt ebenfalls kein Strom. Der MOSFET ist
gesperrt.
Der Gateanschluss erhält positve Spannung gegen Source und Substrat, z.B. +4V. Im Substrat
herrscht jetzt ein elektrisches Feld. Das p-leitende Substrat enthält Löcher als freihe
Ladungsträger, aber auch eine Anzahl von Elektronen als Minoritätträger. Diese Elektronen
werden vom positiven Gateanschluss angezogen. Sie wandern unter dem Einfluss der Kräfte
des elektrischen Felds bis an die isolierende SiO2-Schicht und sammeln sich dort. In diese
Zone sind sie jetzt in wesentlich größer Zahl vohanden als die Löcher. Sie bilden dei Mehrheit.
Die Löcher werden in entgegengesetzter Richtung wie die Elektronen bewegt. Sie räumen
die Zone in der Nähe der SiO2-Schicht. Die Zone enthält jetzt überwiegend Elektronen als
freie Ladungsträger. Sie hat n-leitenden Character.
Zwischen der n-leitenden Sourceinsel und der n-leitenden Draininsel besteht jetzt eine nleitende Brücke. Die Elektronen können über diese Brücke vom Sourceanschluss zum
Drainanschluss fließen.
Die Leitfähigkeit dieses Kanals lässt sich durch die Gatespannung UGS steuern.
Die Vergrößerung der positiven Gatespannung führt zu einer Anreicherung des Kanals mit
Elektronen. Der Kanal wird leitfähiger. Die Verringerung der positiven Gatespannung führt zu
einer Verarmung des Kanals mit Elektronen. Der Kanal wird weniger leitfähig.
Dadurch das die Siliziumdioxid-Schicht isolierend zwischen Aluminium und Substrat wirkt,
fließt kein Gatestrom Ig. Zur Steuerung wird nur eine Gatespannung UGS benötigt. Die
Steuerung des Stromes Id durch den MOSFET erfolgt leistungslos.
2 Grundtypen
Anreicherungstyp
Bei Gatespannung Null oder bei offenem Gate ist die Strecke von Source nach Drain gesperrt.
Der Transistor sperrt sich selbst bei fehlender Gatespannung.
Verarmungstyp
Bei der Herstellung von MOSFET kann bereits eine Brücke zwischen Source und Drain duch
schwache n-Dotierung erzeugt werden. Ein solcher MOSFET hat bereits eine leitende
Verbindung zwischen Source und Drain, ohne daß am
Gate eine Spannung anliegt.
3 Sperrschichtaufbau und Kanalabschnürung
Fließt über n-leitende Brücke ein Drainstorm, so kommt
es entlang des Brücken weges zu einem
Spannungssabfall. Zwischen der n-leitenden Brücke und
dem Substrat bildet sich eine Sperrschicht aus. Die
Breite der Sperrschicht entspricht der Größe der dort
herrschenden Sperrspannung. Eine Sperrschicht
entsteht ebenfalls zwischen der n-leitenden Draininsel und dem Substrat. Der Stromfluss
verengt sich der Kanal von der Sourceinsel zur Draininsel hin. Die Verengung wird um so
stärker, je mehr der Drainstrom ansteigt. Bei einem bestimmten Drainstrom kommt es zu
einer Abschnürung des Kanals. Ein weiteres Ansteigen von Id würde zu einem weiteren
Zusammenwachen der Sperrschichten führen, damit würde sich Id selbst abschnüren. Ein
Abfallen von Id verringt aber den Spannungsabfall im n-Kanal und läßt sich die
Sperrschichten schmaler werden. Damit würde Id wieder ansteigen. Es stellt sich ein
Gleichgewichtzustand ein. Die kennline verläuft jetzt sehr flach.
4 Kennlinie
Zum Aufbau der n-leitenden Brücke ist eine Mindestgatespannung erfordlich. Diese liegt
etwa 1V und 2V. Ist die Gatespannung kleiner, so fließt fast kein Stom. Die Abschnürung des
Kanals tritt an den Schnittpunkten der gestrichelt Abschnürungsline mit den Kenlinie auf.
Von diesen Schnittpunkten an verlaufen die Kennlinien nur noch mit leichter Steigung. Aus
dem Id-UGS-Kennliniefeld kann man das Steuerkennliniekennfeld dem Id-UGS kontruieren.
5 Voteile und Nachteile
Fast Leistungslos, kleine Schaltzeiten und hohe Grenzfrequenz geeignet
Bauartbedingt empfindlich gegenüber Elektrostatische Entladung
Quelle
Klaus Beuth: Bauelemente 18. Auflage, Vogel Buchverlag