Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
MOSFET ist die Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor (auch: Silicon) Field Effect Transistor (engl. für Metalloxid-Halbleiter-/ -Silizium-Feldeffekttransistor).
Historisch gesehen ist das MOSFET-Prinzip wesentlich länger bekannt als der Bipolartransistor. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 (von Julius Edgar Lilienfeld) und 1934 (Oskar Heil). Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 gefertigt, als mit dem Silizium/Siliziumdioxid 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
(siehe auch Feldeffekttransistor)
Statt der pnp oder npn-Struktur eines Bipolar-Transistors wird als Gate eine Metallschicht über eine isolierende Siliziumdioxidschicht zwischen Source und Drain gelegt. Normalerweise wirkt das darunterliegende, leicht p-dotierte Silizium (Substrat) sperrend, so dass kein Strom zwischen den beiden Kontakten Source und Drain fließen kann. Wenn über den Gate eine positive Spannung angelegt wird, wandern Minoritätsträger (bei p-Silizium negative Ladungsträger/Elektronen) im Substrat an die Grenzschicht und Rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Löcher). Dies wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird Verarmung genannt. Ab einer bestimmten Spannung Uth (=Threshold-Spannung, technologisch einstellbar) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von eigentlichen Minoritäten, die einen leitenden Kanal erzeugen, so dass Ladungsträger zwischen Source und Drain fließen können. Dieser Zustand wird Inversion genannt.
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.
Vor- und Nachteile
Ein Nachteil des MOSFET liegt in seinen prinzipiell schlechten Hochfrequenzeigenschaften aufgrund der geringen Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal. Erst durch die extreme Verkleinerung (Skalierung) des Bauelementes in den Deep-Submikrometerbereich wird der MOSFET für Anwendungen oberhalb von 1GHz interessant. Ein entscheidender Vorteil gegenüber Bipolartransistoren ist, dass die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain stromlos (kapazitiv) gesteuert wird. Er ist außerdem wegen seines einfachen Herstellungsprozesses besonders für integrierte Schaltungen geeignet.
In Leistungsanwendungen ist der MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten und geringer Schaltverluste den Bipolartransistoren und IGBTs überlegen. Er erreicht jedoch nicht deren hohe Sperrspannungen. Leistungs-MOSFET´s auf Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 500V und Strömen von bis zu mehreren 100A 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.