Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (MOSFET)

Der Insulated-Gate-Feldeffekttransistor (IGFET), auch bekannt als Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist ein Derivat des Feldeffekttransistors (FET). Heutzutage sind die meisten Transistoren vom MOSFET-Typ als Komponenten digitaler integrierter Schaltungen. Obwohl diskrete BJTs zahlreicher sind als diskrete MOSFETs. Die Anzahl der MOSFET-Transistoren innerhalb einer integrierten Schaltung kann Hunderte von Millionen erreichen. Die Abmessungen einzelner MOSFET-Bauelemente liegen unter einem Mikrometer und nehmen alle 18 Monate ab. Viel größere MOSFETs sind in der Lage, bei niedrigen Spannungen fast 100 Ampere Strom zu schalten; einige handhaben fast 1000 V bei niedrigeren Strömen. Diese Geräte nehmen einen guten Bruchteil eines Quadratzentimeters Silizium ein. MOSFETs finden viel breitere Anwendung als JFETs. MOSFET-Leistungsbauelemente werden jedoch derzeit nicht so häufig verwendet wie bipolare Sperrschichttransistoren.

MOSFET-Betrieb

Der MOSFET hat Source-, Gate- und Drain-Anschlüsse wie der FET. Die Gate-Leitung stellt jedoch keine direkte Verbindung mit dem Silizium her, verglichen mit dem Fall für den FET. Das MOSFET-Gate ist eine Metall- oder Polysiliziumschicht auf einem Siliziumdioxid-Isolator. Das Gate ähnelt einem Metalloxid-Halbleiter (MOS) Kondensator in der Abbildung unten. Beim Laden nehmen die Platten des Kondensators die Ladungspolarität der jeweiligen Batteriepole an. Die untere Platte besteht aus Silizium vom P-Typ, von dem Elektronen durch den negativen (-) Batteriepol in Richtung des Oxids abgestoßen und von der positiven (+) oberen Platte angezogen werden. Dieser Elektronenüberschuss in der Nähe des Oxids erzeugt einen invertierten (Elektronenüberschuss) Kanal unter dem Oxid. Dieser Kanal wird auch von einem Verarmungsbereich begleitet, der den Kanal vom Bulk-Siliziumsubstrat isoliert.

N-Kanal-MOS-Kondensator:(a) keine Ladung, (b) geladen.

In der Abbildung unten (a) ist der MOS-Kondensator zwischen einem Paar von N-Typ-Diffusionen in einem P-Typ-Substrat angeordnet. Ohne Ladung am Kondensator, ohne Vorspannung am Gate bleiben die N-Typ-Diffusionen, Source und Drain elektrisch isoliert.

N-Kanal-MOSFET (Verbesserungstyp):(a) 0 V Gate-Vorspannung, (b) positive Gate-Vorspannung.

Eine an das Gate angelegte positive Vorspannung lädt den Kondensator (das Gate). Das Gate auf dem Oxid nimmt eine positive Ladung von der Gate-Bias-Batterie auf. Das Substrat vom P-Typ unter dem Gate nimmt eine negative Ladung an. Unterhalb des Gateoxids bildet sich ein Inversionsbereich mit einem Überschuss an Elektronen. Dieser Bereich verbindet nun die Source- und Drain-N-Typ-Bereiche und bildet einen durchgehenden N-Bereich von Source zu Drain. Somit ist der MOSFET wie der FET ein unipolares Bauelement. Eine Art von Ladungsträger ist für die Leitung verantwortlich. Dieses Beispiel ist ein N-Kanal-MOSFET. Das Leiten eines großen Stroms von Source zu Drain ist möglich, wenn eine Spannung zwischen diesen Anschlüssen angelegt wird. Eine praktische Schaltung hätte eine Last in Reihe mit der Entladebatterie in Abbildung oben (b).

E-MOSFET

Der oben in Abbildung oben beschriebene MOSFET ist als Erweiterungsmodus bekannt MOSFET. Der nichtleitende Aus-Kanal wird eingeschaltet, indem der Kanal unterhalb des Gates durch Anlegen einer Vorspannung verstärkt wird. Dies ist die gebräuchlichste Art von Gerät. Die andere Art von MOSFET wird hier nicht beschrieben. Siehe das Kapitel Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate für den Verarmungsmodus Gerät.

Der MOSFET ist wie der FET ein spannungsgesteuertes Gerät. Ein Spannungseingang zum Gate steuert den Stromfluss von Source zu Drain. Das Gate zieht keinen Dauerstrom. Das Gate zieht jedoch einen Stromstoß, um die Gate-Kapazität aufzuladen.

Der Querschnitt eines diskreten N-Kanal-MOSFET ist in Abbildung unten (a) dargestellt. Diskrete Geräte sind normalerweise für das Schalten mit hoher Leistung optimiert. Das N+ zeigt an, dass Source und Drain stark N-dotiert sind. Dadurch werden Widerstandsverluste im Hochstrompfad von Source zu Drain minimiert. Das N- zeigt leichte Dotierung an. Der P-Bereich unter dem Gate zwischen Source und Drain kann durch Anlegen einer positiven Vorspannung invertiert werden. Das Dotierungsprofil ist ein Querschnitt, der in einem Serpentinenmuster auf dem Siliziumchip ausgelegt sein kann. Dies erhöht die Fläche und folglich die aktuelle Handhabungsfähigkeit erheblich.

N-Kanal-MOSFET (Erweiterungstyp):(a) Querschnitt, (b) schematisches Symbol.

Das schematische MOSFET-Symbol in Abbildung oben (b) zeigt ein „schwebendes“ Gate, das keine direkte Verbindung zum Siliziumsubstrat anzeigt. Die unterbrochene Linie von Source zu Drain zeigt an, dass dieses Gerät ausgeschaltet ist, nicht leitet, mit Null-Vorspannung am Gate. Ein normalerweise „ausgeschalteter“ MOSFET ist ein Bauelement im Anreicherungsmodus. Der Kanal muss durch Anlegen einer Vorspannung an das Gate zum Leiten verstärkt werden. Das "zeigende" Ende des Substratpfeils entspricht dem P-Typ-Material, das zu einem N-Typ-Kanal zeigt, dem "nicht-zeigenden" Ende. Dies ist das Symbol für einen N-Kanal-MOSFET. Der Pfeil zeigt in die entgegengesetzte Richtung für ein P-Kanal-Gerät (nicht gezeigt). MOSFETs sind vier Endgeräte:Source, Gate, Drain und Substrat. Das Substrat ist bei diskreten MOSFETs mit der Source verbunden, wodurch das Gehäuseteil zu einem Gerät mit drei Anschlüssen wird. MOSFETs, die Teil einer integrierten Schaltung sind, haben das Substrat allen Geräten gemeinsam, es sei denn, es wurde absichtlich isoliert. Diese gemeinsame Verbindung kann aus dem Chip heraus gebondet werden, um eine Verbindung zu einer Masse oder einer Vorspannung der Stromversorgung herzustellen.

V-MOS

N-Kanal-„V-MOS“-Transistor:(a) Querschnitt, (b) schematisches Symbol.

Der V-MOS Gerät in (Abbildung oben) ist ein verbesserter Leistungs-MOSFET, dessen Dotierungsprofil für einen niedrigeren Source-Drain-Widerstand im eingeschalteten Zustand ausgelegt ist. VMOS hat seinen Namen von dem V-förmigen Gate-Bereich, der die Querschnittsfläche des Source-Drain-Pfads vergrößert. Dies minimiert Verluste und ermöglicht das Schalten höherer Leistungen. UMOS, eine Variante mit einer U-förmigen Nut, ist in der Herstellung reproduzierbar.

RÜCKBLICK:

• MOSFETs sind unipolare Leitungsbauelemente, die mit einer Art von Ladungsträgern leiten, wie ein FET, aber im Gegensatz zu einem BJT.
• Ein MOSFET ist ein spannungsgesteuertes Gerät wie ein FET. Ein Gate-Spannungseingang steuert den Source-Drain-Strom.
• Das MOSFET-Gate zieht keinen Dauerstrom, außer Leckstrom. Allerdings ist ein beträchtlicher anfänglicher Stromstoß erforderlich, um die Gate-Kapazität aufzuladen.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Übersicht über konventionelle Transistoren und Arbeitsblatt für spezielle Transistoren