Ausarbeitung: MOSFET - Projektlabor

TU Berlin
Projektlabor
SS05
Ausarbeitung:
MOSFET
Inhaltverzeichnis:
1.
Einleitung
2.
Definition
3.
Aufbau
4.
Kennlinien
5.
Anwendungen
6.
Vor- & Nachteile
7.
Quellen
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1.Einleitung:
Die erste begrifflich ähnliche MOSFET- Struktur wurde 1930 von Julius Edgar
Lilienfeld und Oskar Heil unabhängig voneinander vorgeschlagen und
patentiert, aber bis 1960 konnte der erste MOSFET aus technologischem Grund
nicht erfolgreich demonstriert werden. MOSFET wurde heutzutage mit Hilfe
dem Silizium-Planar Technologie realisiert und sie ist als gegenwärtige
Standard-Technologie zu betrachten. Planartechnologie bedeutet, die
Bauelemente einseitig auf dünnen Silizium- Scheiben (engl.wafer) als ebene,
nebeneinander angeordnete Strukturen aufzubauen. Planar oder eben bleibt im
Verlaufe der Herstellung die Silizium-Oberfläche unter einer dünnen SiO2Schicht, deren Eigenschaften entscheidend für die technische Verbreitung der
Planar-Technologie wurden.
2. Definition & Typen:
MOSFET ist die Abkürzung für Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect
Transistor, was so viel bedeutet wie Metall-Oxid-Halbleiterbauteil Feld Effekt
Transistor und er besteht aus drei Anschlüssen:
Das Gate G (Tor) ist die Steuerelektrode, und der Kontakt am Eingang des
leitenden Kanals ist die sog. Source (Quelle) und der am Kanalausgang der
sog. Drain (wörtlich Abfluss). Mit der Gate-Elektrode lässt sich der
Widerstand zwischen Drain und Source steuern. Die Steuerspannung ist Ugs.
Viele FETs sind symmetrisch, d.h. sie ändern ihre Eigenschaften nicht, wenn
man S und D vertauscht.
Genauso wie es pnp- und npn-Transistoren gibt, gibt es auch p- Kanal und nKanal-FETs und nach dem Aufbau unterscheidet man noch zwei Typen von
MOSFET: der selbstsperrende MOSFET (Anreicherungstyp) und der
selbstleitende MOSFET (Verarmungstyp).
Bei einem selbstsperrenden N-MOSFET ist der p-typ Halbleiter das Substrat
und der n-typ Halbleiter Source und Drain. Der selbstsperrende P-MOSFET
basiert auf einem n-dotierten Substrat, welches durch Diffusion an zwei Stellen
p-dotiert ist.
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Bei einem selbstleitenden N-MOSFET wird das p-dotierte Substrat zwischen
den beiden n-dotierten Bereichen leicht n-dotiert. Beim selbstleitenden PMOSFET wird das n-dotierte Substrat zwischen den beiden p-dotierten
Bereichen leicht p-dotiert.
Bei MOSFET ist häufig ein vierter Anschluss, das Substrat (Bulk B)
herausgeführt. Diese Elektrode hat ähnlich steuernde Wirkung wie das Gate. Sie
ist jedoch nur durch eine Sperrschicht vom Kanal isoliert. Im Allgemeinen nutzt
man ihre Steuerwirkung nicht aus und verbindet sie mit der Source-elektrode.
Benötigt man zwei Steuerelektroden, verwendet man MOSFET-Tetroden, die
zwei gleichberechtigte Gates besitzen.
Bei N-Kanal-Fets ist die Source-elektrode auf negatives Potential zu legen als
die Drain-elektrode, bei Umpolung übernimmt die Drain-elektrode die Funktion
der Source-elektrode. Bei N-Kanal-FETs wirkt also jeweils die Kanalelektrode
mit dem niedrigeren Potential als Source.
Dieser Baum zeigt die Klassifizierung der FETs:
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3.Aufbau des MOSFETs:
MOSFET in Planartechnologie
Bei MOSFETs kontrolliert das elektrische Feld über dem Oxid die
Ladungsträgerdichte und damit den Kanalwiderstand. Der Eingangswiderstand
ist extrem hoch.
Dieser Feldeffekttransistor besteht aus einem p-dotierter Si-Wafer, dem
Substrat. In das Substrat sind zwei n-leitende Inseln eindotiert. Der Kristall ist
mit Oxidschicht (SiO2) abgedeckt (Isolierschicht). Die n-leitenden Inseln sind
aber noch freigelegt und über Kontakte nach außen geführt (S und D).
Beispiel eines MOSFET(Anreicherungstyp):
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Der MOSFET befindet sich immer im Sperr-zustand, wenn keine positive
Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluss anliegt. Deshalb wird er
Selbstsperrend genannt.
Wird zwischen Gate und Source eine positive Spannung UGS angelegt, dann
entsteht im Substrat ein elektrisches Feld. Die Elektronen im p-leitenden
Substrat werden vom positiven Gate-Anschluß im Isolierschichtbereich
angezogen und dadurch entsteht zwischen Source- und Drain-Anschluß eine nleitende Brücke.
Die Leitfähigkeit dieser Brücke lässt sich durch die Gatespannung UGS steuern.
Die Vergrößerung der positiven Gatespannung führt zu einer Anreicherung der
Brücke mit Elektronen. Die Brücke wird leitfähiger. Die Verringerung der
positiven Gatespannung führt zu einer Verarmung der Brücke mit Elektronen.
Die Brücke wird weniger leitfähig.
Dadurch, dass 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 MOS-FET erfolgt leistungslos.
Verarmungsprinzip
Es gibt auch MOSFETs als Verarmungstypen. Sie sind selbstleitend, weil sie
schon nach angelegter Spannung UDS leitend sind. Das wird durch eine
schwache n-Dotierung zwischen den n-leitenden Inseln (Source und Drain)
erzeugt. Dieser MOSFET sperrt nur vollständig, wenn die Gatespannung UGS
kleiner ist als die Spannung am Source-Anschluß.
Der Selbstleitende MOSFET wird durch eine negative, wie auch eine positive
Gatespannung UGS gesteuert.
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4.Kennlinien:
Übertragungs- und Ausgangskennlinien eines N-Kanal-Typ
Im Ausgangskennlinienfeld, das den Zusammenhang zwischen ID und UDS für
einen jeweils festen wert von UGS gibt, unterscheidet man den ohmschen
Bereich und den Abschnürbereich.
Im ohmschen Bereich arbeitet der FET als elektrisch steuerbarer widerstand.
Dieser Bereich wird auch „Triodenbereich“ genannt, weil der Kennlinien
verlauf einer Triodenröhre ähnelt.
Liegt der Arbeitspunkt im Abschnürbereich, wird der FET als
spannungsgesteuerte Stromquelle für den Einsatz als Verstärker betrieben.
Up: pinch-Off-spannung (Abschnürspannung). Dies ist die jenige
Gatespannung UGS, die notwendig ist, um den Drainstrom ID auf einen
bestimmten Wert zu vermindern.
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5.Anwendungen der MOSFET:
Analogtechnik:
MOSFETs werden hauptsächlich für Verstärker und Schaltstufen verwendet. Ihr
besonderer Vorteil gegenüber bipolaren Transistoren liegt darin, dass sie
leistungslos gesteuert werden können. Im MOSFET ist das Eigenrauschen
gering und liegt unter dem Wert bipolarer Transistoren.
Digitaltechnik:
In der Digitaltechnik wird der MOSFET als Schalter eingesetzt. Die Mosfets
Transistoren erlauben Schaltungen mit geringer Verlustleistung, weil nur
während des Umschaltvorgangs ein vorgegebener Strom fließt.
6.Vor- & Nachteile:
Ein Nachteil des MOSFETs liegt in seinen prinzipiell schlechten
Hochfrequenzeigenschaften aufgrund der geringen Oberflächenbeweglichkeit
der Ladungsträger im Kanal. Ein besonderer Vorteil gegenüber bipolaren
Transistoren ist, dass die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain stromlos
gesteuert wird. Er ist außerdem wegen seines einfachen Herstellungsprozess
besonders für integrierte Schaltungen geeignet.
In Leistungsanwendungen ist der MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten
und geringerer Schaltverluste als beim Biopolartransistor besser geeignet und
er erreicht nicht deren hohe Sperrspannung. Leistungs-MOSFETs auf
Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 500V
und Strömen von bis zu mehreren 100A eingesetzt. In Sonderanwendungen
werden Schaltzeiten von nur einigen Nanosekunden bei Spannungen von
mehreren Kilovolt durch Reihenschaltung realisiert.
7. Quellen:
- www.wikipedia.de
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- Buch von Tietze und Schenk : Halbleiterschaltungstechnik
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