Ausarbeitung: MOSFET

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1 Ausarbeitung: MOSFET Inhaltverzeichnis: 1. Einleitung 2. Definition 3. Aufbau 4. Kennlinien 5. Anwendungen 6. Vor- & Nachteile 7. Quellen 1

2 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 SiO2- Schicht, 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 n- Kanal-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. 2

3 Bei einem selbstleitenden N-MOSFET wird das p-dotierte Substrat zwischen den beiden n-dotierten Bereichen leicht n-dotiert. Beim selbstleitenden P- MOSFET 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: 3

4 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 (SiO 2 ) abgedeckt (Isolierschicht). Die n-leitenden Inseln sind aber noch freigelegt und über Kontakte nach außen geführt (S und D). Beispiel eines MOSFET(Anreicherungstyp): 4

5 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 U GS 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 n- leitende Brücke. Die Leitfähigkeit dieser Brücke lässt sich durch die Gatespannung U GS 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 I G. Zur Steuerung wird nur eine Gatespannung U GS benötigt. Die Steuerung des Stromes I D durch den MOS-FET erfolgt leistungslos. Verarmungsprinzip Es gibt auch MOSFETs als Verarmungstypen. Sie sind selbstleitend, weil sie schon nach angelegter Spannung U DS 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 U GS kleiner ist als die Spannung am Source-Anschluß. Der Selbstleitende MOSFET wird durch eine negative, wie auch eine positive Gatespannung U GS gesteuert. 5

6 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. 6

7 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: - 7

8 - Buch von Tietze und Schenk : Halbleiterschaltungstechnik 8