Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
Der metal oxide semiconductor field-effect transistor (dt.: Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor; MOSFET, MOS-FET,MOST) ist der zur Zeit meistverwendete Feldeffekttransistor für analoge und digitale integrierte Schaltungen. Ähnlich wie beim Bipolartransistor kann auch der MOSFET in zwei Varianten p-Typ oder n-Typ bzw. p-leitend oder n-leitend (auch NMOS oder PMOS) eingeteilt werden.
Da derzeit noch Polysilizium als Gate-Material eingesetzt wird, ist der Begriff nicht mehr korrekt. Die Bezeichnung stammt noch aus der Zeit (bis Anfang der 1980er), als Aluminum (ein Metall)als Gate-Material verwendet wurde. In der Halbleitertechnologie gibt es allerdings derzeit Bestrebungen das Polyzilizium gegen andere Materialien wie Übergangsmetalle auszutauschen. Des Weiteren wird in modernen integrierten Schaltkreisen nicht nur Siliziumdioxid als Gate-Dielektrikum eingesetzt, daher ist es günstiger die neutrale Bezeichnung MISFET (Metall-Nichtleiter-Halbleiter-FET) oder IGFET (FET mit isoliertem Gate) zu verwenden.
Geschichte
Historisch gesehen ist das Funktionsprinzip des MOSFETs wesentlich länger bekannt als das des Bipolartransistors. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 von Julius Edgar Lilienfeld[1] und 1934 von Oskar Heil. Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 gefertigt, als mit dem Silicium/Siliciumdioxid ein Materialsystem zur Verfügung stand, mit dem sich eine reproduzierbar gute Halbleiter-Isolator-Grenzfläche herstellen ließ. Damit verbunden war die Abkehr vom Germanium als Basismaterial und steigende Anforderungen an die Fertigungsbedingungen (Reinräume, strenge Temperaturregime).
Aufbau und Funktionsweise
Ein MOSFET ist ein aktives Bauelement. Er arbeitet wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. Er besitzt drei Anschlüsse (Elektroden): G (Gate, dt. Steuerelektrode), D (Drain), S (Source). Bei einigen Bauformen wird ein zusätzlicher Anschluss B (bulk, Substrat) nach außen geführt. Sowohl in diskreten als auch in integrierten Bauelementen wird das Bulk häufig mit der Source-Elektrode verbunden. Mit MOSFETs, die einen separaten Bulkanschluss besitzen, lassen sich zwischen Source und Drain kleinere Wechselspannungen steuern und schalten, wenn der Substratanschluss – im Falle von n-Kanal-MOSFET – negativer als die Wechselspannung gehalten wird.
Der Schlüssel zum Verständnis der MOS-Struktur liegt in der Entstehung eines leitenden Kanals unter dem Gate. Dieser Kanal stellt eine leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen Drain und Source her.
Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs:
Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall (Substrat). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drainanschluss erzeugen. Zwischen den beiden Gebieten befindet sich weiterhin das Substrat, wodurch eine npn-Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt (vgl. npn-Transistor: ohne Basisstrom ist der Transistor gesperrt). Genau über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne, widerstandsfähige Isolierschicht (meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Den Gate-Anschluss des Transistors bildet eine leitende Schicht, die auf diesem Dielektrikum (Isolator) oberhalb des zukünftigen Kanals aufgetragen wird. Verwendung fand hier früher Aluminium, heute n+ bzw. p+ dotiertes (entartetes) Polysilizium (Abkürzung für polykristallines Silizium).
Durch diesen Aufbau bilden Gate-Anschluss, Dielektrikum und Bulk-Anschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Durch das elektrische Feld wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Defektelektronen). Dies wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung“ genannt. Ab einer bestimmten Spannung Uth (engl. threshold voltage, Schwellspannung) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von Minoritätsträgern wodurch das eigentlich p-dotierte Substrat nahe an der Isolierschicht n-leitend wird. Dieser Zustand wird starke „Inversion“ genannt. Der entstandene dünne n-leitende Kanal verbindet nun die beiden n-Gebiete Source und Drain, wodurch Ladungsträger (beinahe) ungehindert von Source nach Drain fließen können.
Prinzipiell sind Source- und Drainanschluss zunächst gleichwertig, meist ist der Aufbau aber nicht symmetrisch, um ein besseres Verhalten zu erzielen. Außerdem wird bei den meisten Bauformen Bulk intern mit Source verbunden, da ein Potentialunterschied zwischen Source und Bulk die Eigenschaften des Transistors (vor allem die Schwellenspannung) negativ beeinflusst (body effect). Auf die grundlegende Funktion hat die Verbindung keinen Einfluss. Allerdings entsteht nun zusätzlich eine Diode zwischen Source- und Drainanschluss, die parallel zum eigentlichen Transistor liegt (Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den p-n-Übergang). Diese sogenannte Bodydiode ist als Pfeil im Schaltsymbol des Mosfets dargestellt und zeigt beim n-Kanal Mosfet vom Bulkanschluss zum Kanal.
Bei der Anwendung ist die Bodydiode in der Regel in Sperrrichtung gepolt, bei manchen Schaltanwendungen kann sie jedoch genutzt werden, um Inversbetrieb zu verhindern.
siehe auch: Feldeffekttransistor.
Bauformen
Wie auch beim Bipolartransistor gibt es zwei komplementäre Bauformen: n-Kanal-MOSFET und p-Kanal-MOSFET. Diese können jeweils noch in selbstsperrende (enhancement transistor, „Anreicherungstyp“) und selbstleitende (depletion transistor, „Verarmungstyp“) Bauformen unterschieden werden. Weiterhin ist zwischen lateralen und vertikalen Bauformen zu unterscheiden. Während laterale Transistoren vorwiegend in der Nachrichtentechnik zum Einsatz kommen, findet sich die vertikale Bauform überwiegend in der Leistungselektronik wieder. Der Vorteil der vertikalen Struktur liegt in der höheren möglichen Sperrspannung der Bauelemente (Beispiel CoolMOS von Infineon). Der CoolMOS stellt dabei eine Weiterentwicklung des bekannten VMOS dar. Er gehört zu den Kompensations- oder Super-Junction-Bauelementen.
Vor- und Nachteile
Ein prinzipieller Nachteil der MOSFET-Technologie ist die geringe Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal. Elektronen besitzen dabei eine höhere Beweglichkeit als Defektelektronen, daher haben n-Kanal-MOSFET geringfügig bessere Eigenschaften als p-Kanal-Typen. Durch die Verkleinerung der Bauelementstrukturen lässt sich dieser Nachteil jedoch ausgleichen und die Schaltgeschwindigkeit erhöht sich. Dadurch gelingt es einerseits, schnellere Einzeltransistoren herzustellen, andererseits lassen sich durch feine Wabenstrukturen auch schnelle MOSFET für große Ströme herstellen. Durch Skalierung in den Submikrometerbereich wird der MOSFET für integrierte digitale Anwendungen mit Taktfrequenzen oberhalb von 1 GHz verwendbar. MOSFET sind wegen ihres einfachen Herstellungsprozesses (CMOS-Prozess) und der lateralen Struktur besonders für integrierte Schaltungen geeignet.
Da bei IGFETs im Gegensatz zum Bipolartransistoren die Steuerung nicht über einen Stromfluss (Basisstrom) sondern über eine Steuerspannung erfolgt, werden sie fälschlicherweise als „stromlos“ bezeichnet. Im statischen Betrieb, d. h. die Gate-Spannung bleibt konstant, fließt über das Gate bis theoretisch kein Strom. Allerdings ist zur Umladung der Gate-Kapazität ein teilweise erheblicher Lade- und Entladestrom notwendig − in der Leistungselektronik bis über 10 A. Diese Ströme verursachen zusammen mit Gate-Leckströmen, die bei heutigen Mikroprozesseren nicht mehr vernachlässigbar sind, die hohe Leistungsaufnahme moderner integrierter Schaltkreise.
In Leistungsanwendungen ist der sog. Leistungs-MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten und geringer Schaltverluste den Bipolartransistoren und IGBTs überlegen. Er erreicht jedoch nicht deren hohe Sperrspannungen. Gegenüber bipolarer Technik besitzt die Drain-Source-Strecke des MOSFET eine reine Widerstandscharakteristik, die den statischen Spannungsabfall und die statische Verlustleistung im Betrieb bestimmt. Erst dadurch werden die hohen Wirkungsgrade von leistungselektronischen Schaltungen besonders bei niedrigen Spannungen und Batteriebetrieb möglich (vgl. Synchrongleichrichter).
Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren besitzt der Kanalwiderstand der Drain-Source-Strecke des MOSFET einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, dass bei steigender Temperatur auch der Widerstand steigt. Dadurch kann man in einigen Anwendungen mehrere MOSFET ohne zusätzliche symmetrierende Maßnahmen parallel schalten, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen und den Spannungsabfall zu verringern. Sobald einer der MOSFETs durch zu viel Strom zu heiß wird, steigt sein Widerstand, er leitet weniger Strom und kann sich wieder abkühlen.
Leistungs-MOSFETs auf Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 800 V und Strömen von bis zu mehreren 100 A eingesetzt. Einsatzgebiete von Silizium-MOSFETs sind u. a. Schaltnetzteile, Synchrongleichrichter, getaktete Strom- und Spannungsregler und auch starke Hochfrequenzsender bis in den UKW-Bereich. In Sonderanwendungen werden Schaltzeiten von nur einigen Nanosekunden bei Spannungen von mehreren Kilovolt durch Reihenschaltung realisiert.
Weblinks
- Genaue Erklärung der MOS-Struktur
- Java-Applet zum NMOS
- SEMIKRON-Handbuch - Funktion und Anwendungshinweise (engl.)
- SEMIKRON-Handbuch - Funktion und Anwendungshinweise (deutsch)
Literatur
- Prof.Dr.sc.nat. Hans-Joachim Fischer, Dipl.-Ing. Wolgang E. Schlegel, Transistor- und Schaltkreistechnik 4. korr. Auflage 1988, Militärverlag der DDR
- Akiyama, Sigeo ; Suzumura, Masahiko ; Nobe, Takeshi: Double-Diffused Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Device. Matsushuta Electric Works LTD. 8.10.1991. USA. Veröffentlichungsnr. US5055895