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MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET)

Die Bezeichnung MOS bedeutet Metal-Oxide-Semiconductor, was soviel bedeutet, wie Metall-Oxid-Halbleiterbauteil. Der MOS-FET ist auch als IG-FET bekannt. Diese Bezeichnung kommt von Insulated Gate und bedeutet isoliertes Gate. Das hängt mit dem Aufbau des MOS-FET zusammen.

Es gibt insgesamt 4 MOS-FET-Typen, wobei man zwischen n-Kanal- und p-Kanal- sowie Anreicherungstyp und Verarmungstyp unterscheidet.

  n-Kanal
MOS-FET Typ Anreicherungstyp (selbstsperrend) Verarmungstyp (selbstleitend)
ID bei UDS positiv positiv
UGS (Steuerspannung) positiv positiv/negativ
Schaltzeichen Schaltzeichen MOS-FET N-Kanal Anreicherungstyp Schaltzeichen MOS-FET N-Kanal Verarmungstyp
Anwendung Leistungsverstärker Hochfrequenzverstärker,
digitale integrierte Schaltungen
  p-Kanal
MOS-FET Typ Anreicherungstyp (selbstsperrend) Verarmungstyp (selbstleitend)
ID bei UDS negativ negativ
UGS (Steuerspannung) negativ negativ/positiv
Schaltzeichen Schaltzeichen MOS-FET P-Kanal Anreicherungstyp Schaltzeichen MOS-FET P-Kanal Verarmungstyp
Anwendung Leistungsverstärker Hochfrequenzverstärker

Aufbau eines MOS-FET

Grundstruktur eines MOS-FET (n-Kanal-Anreicherungstyp).
Aufbau eines MOS-FET
Der n-Kanal-Anreicherungstyp-Feldeffekttransistor besteht aus einem p-leitenden Kristall, dem Substrat. In das Substrat sind zwei n-leitende Inseln eindotiert. Der Kristall ist mit Siliziumdioxid (SiO2) abgedeckt (Isolierschicht). Die n-leitenden Inseln sind aber noch freigelegt und über Kontakte nach außen geführt (S und D). Auf dem Siliziumdioxid ist eine Aluminiumschicht (Al) als Gate-Elektrode aufgedampft.

Funktionsweise eines MOS-FET (Anreicherungstyp)

Funktionsweise eines MOS-FET(Anreicherungstyp)
Diese Beschreibung des MOS-FET bezieht sich auf den Anreicherungstyp. Es gibt auch noch den Verarmungstyp.
Der MOS-FET befindet sich immer im Sperr-Zustand (deshalb selbstsperrend), wenn keine positive Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluss anliegt.
Wird zwischen Gate und Source (Substrat bei n-MOS-FET) eine positive Spannung UGS angelegt, dann entsteht im Substrat ein elektrisches Feld. Die Elektronen werden vom Gate-Anschluss aus dem p-leitende Substrat (viele Loecher, sehr wenige Elektronen) angezogen. Sie wandern bis unter das Siliziumdioxid (Isolierschicht).
Die Löcher wandern in entgegengesetzter Richtung. Die Zone zwischen den n-leitenden Inseln enthält überwiegend Elektronen als freie Ladungsträger. Zwischen Source- und Drain-Anschluss befindet sich nun ein n-leitender Kanal.
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 MOS-FET erfolgt leistungslos.

Verarmungsprinzip

Der oben beschriebene MOS-FET ist ein Anreicherungstyp. Er ist selbstsperrend. Es gibt aber auch MOS-FETs 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 MOS-FET sperrt nur vollständig, wenn die Gatespannung UGS negativer ist als die Spannung am Source-Anschluss.
Der selbstleitende MOS-FET wird durch eine negative, wie auch eine positive Gatespannung UGS gesteuert.

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