Elektrotechnik Grundlagen
Bauteile der Elektrotechnik
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Der MOSFET ist das wichtigste aktive Bauelement der modernen Elektronik. Wie ein MOSFET aufgebaut ist und wie er funktioniert, erfährst du in diesem Beitrag. Unser Video  erklärt dir das Wichtigste mit tollen Animationen.

MOSFET einfach erklärt

Der MOSFET (seltener MOS-FET) erfüllt innerhalb einer elektrischen Schaltung zwei Aufgaben: Das Schalten oder das Verstärken elektrischer Ströme . Wie stellt er das an? 

Im Kern ist der MOSFET ein spannungsgesteuerter Widerstand . Das heißt, du kannst durch eine Spannung den Widerstandswert des MOSFETs beeinflussen. Du kannst ihn sehr groß machen, sodass kein Strom mehr fließt. Oder du machst ihn sehr klein, wodurch deutlich mehr Strom fließen kann.

Was du dabei machst, ist einen Kanal, in dem sich die Ladungsträger bewegen sollen, zu verkleinern (weniger Strom) oder zu vergrößern (mehr Strom). Die Kanallänge kann bis zu 0,000001 m klein sein (das ist etwa ein fünfzigstel der Dicke von menschlichem Haar). Bei diesem ganzen Prozess musst du den MOSFET auch nicht „anfassen“. Unter anderem deshalb wurden bis heute über 10^{22} MOSFETs (das ist eine 1 gefolgt von 22 Nullen) weltweilt hergestellt.

Zahlreiche Technologien könnten ohne den MOSFET nicht existieren.

MOSFET Transistor

Die Abkürzung \text{\textcolor{red}{M}\textcolor{blue}{O}\textcolor{orange}{S}\textcolor{violet}{FET}} steht für \text{\textcolor{red}{M}etall-\textcolor{blue}{O}xid-\textcolor{orange}{H}albleiter-\textcolor{violet}{F}eld\textcolor{violet}{E}ffekt\textcolor{violet}{T}ransistor}. Dabei steht das „S“ für „Semiconductor“, der englischen Bezeichnung für „Halbleiter“.

Grundlegender Aufbau und Bezeichnung

Ein MOSFET besteht aus einem Grundsubstrat, der n- oder p-dotiert ist. In das Grundsubstrat werden zwei Zonen eingefügt, die umgekehrt zum Substrat dotiert sind. Das heißt, wenn das Grundsubstrat p-dotiert ist, sind die beiden Zonen n-dotiert. 

Du findest drei Anschlüsse: Drain (D), Source (S) und Gate (G). Der Anfang der Bezeichnung, das „MOS“, gibt dir den Hinweis, wie der Gate-Anschluss realisiert wird. Der Anschluss selber besteht aus Metall (daher „M“), der vom Halbleiter (das „S“) durch eine Oxidschicht (das „O“) getrennt wird. Der Gate-Anschluss ist also vom Grundsubstrat isoliert. 

Das „FET“ steht für Feldeffekttransistor. Es gibt zwei Gründe für diese Bezeichnung

  1. Du steuerst den MOSFET mit einer Spannung an;
  2. Nur eine Art von Ladungsträger (entweder Elektronen oder Löcher) ist für den Stromfluss verantwortlich.

Genau diese beiden Eigenschaften sind für Feldeffekttransistoren charakteristisch. Durch die Spannung erzeugst du innerhalb des Grundsubstrats ein elektrisches Feld . Dieses elektrische Feld sorgt für eine Bewegung und Rekombination von Ladungsträger innerhalb des Grundsubstrats. Diese Bewegungen und Rekombinationen wiederum führen zur Bildung eines sogenannten Kanals, wodurch der MOSFET leitend wird. Insgesamt bewirkt also ein elektrisches Feld, dass ein Kanal erzeugt wird. Daher die Bezeichnung „Feldeffekt“.

 

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Grundlegender Aufbau eines MOSFETs.

Grundlegende Funktionsweise

Was du im Wesentlichen am MOSFET kontrollieren kannst, ist der Kanal. Der Kanal ist eine Verbindungsstrecke zwischen der dotierten Zone unterhalb des Source-Anschlusses und der dotierten Zone unterhalb des Drain-Anschlusses.

Mit Hilfe einer Spannung am Gate-Anschluss kannst du dann die vertikale Breite dieses Kanals beeinflussen. Machst du ihn breiter, können mehr Ladungsträger vom Source zum Drain fließen. Machst du den Kanal hingegen schmaler, werden weniger Ladungsträger fließen.

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Grundlegende Funktionsweise eines MOSFETs.

n-Kanal vs. p-Kanal

Je nachdem, welche Ladungsträger durch den Kanal fließen, findest du die Bezeichnung n-Kanal (für Elektronen) oder p-Kanal (für Löcher). Lass dich aber nicht dadurch irritieren, dass beim p-dotierten Grundsubstrat ein n-Kanal entsteht und beim n-dotierten Grundsubstrat ein p-Kanal.

So entstehen auch die beiden Bezeichnungen PMOS und NMOS. Beim NMOS ist zwar das Grundsubstrat p-dotiert, der entstehende Kanal ist aber ein n-Kanal. Genau umgekehrt ist die Situation beim PMOS. 

n-Kanal MOSFET (NMOS)

Schauen wir uns einen n-Kanal MOSFET oder kürzer NMOS genauer an. Zunächst zeigen wir dir den grundlegenden Aufbau und unterteilen dann den NMOS in zwei Typen: Anreicherungstyp und Verarmungstyp.  Zum Abschluss findest du die dazugehörigen Schaltzeichen.

NMOS Aufbau

Das Grundsubstrat ist beim NMOS p-dotiert. Die beiden Zonen sind entsprechend n-dotiert. Während das Grundsubstart nur leicht dotiert ist, sind die beiden Zonen stark dotiert.

Die beiden n-dotierten Zonen bilden den Source- bzw. Drain-Anschluss. Source, Drain und das p-dotierte Grundsubtrat bilden eine NPN -Struktur. Zwischen Source und Drain befindet sich der Gate-Anschluss der durch eine Oxidschicht vom Grundsubstrat getrennt wird.

NMOS Anreicherungstyp

Statt Anreicherungstyp findest du auch die Bezeichnung selbstsperrend oder normal sperrend. Diese beiden Bezeichnungen sind etwas anschaulicher: Solange du einen selbstsperrenden NMOS in Ruhe lässt, wird kein Strom fließen; der NMOS ist nicht leitend.

Entstehung des Kanals

Wenn du aber am Gate eine positive Spannung anlegst, erzeugst du innerhalb des p-dotierten Grundsubstrats ein elektrisches Feld . Dieses zieht die Elektronen in Richtung der Oxidschicht. Dort treffen sie auf die vielen Löcher und rekombinieren. Dadurch entsteht knapp unter der Oxidschicht eine negative Raumladung.

Erhöhst du schrittweise die Spannung am Gate, rekombinieren immer mehr Elektronen. Ab einer gewissen Spannung, die sogenannte Schwellenspannung, stehen keine Löcher mehr zur Verfügung. Die ursprüngliche p-dotierte Schicht unterhalb der Oxidschicht wird n-leitend; der n-Kanal ist entstanden. Nun können Elektronen vom Source zum Drain fließen. Du hast den NMOS erfolgreich „eingeschalten“.

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Bildung des Kanals beim NMOS.

NMOS Verarmungstyp

Für die Bezeichnung Verarmungstyp findest du alternativ auch selbstleitend oder normal leitend. Auch hier sind die alternativen Bezeichnungen wesentlich anschaulicher: Lässt du den NMOS in Ruhe, kann trotzdem Strom fließen; der NMOS ist leitend.

Der einzige Unterschied zum Anreicherungstyp besteht darin, dass beim Verarmungstyp von Anfang an ein n-Kanal zur Verfügung steht. Du kannst ihn genauso mit einer Spannung beeinflussen; ihn also mit einer positiven Spannung vergrößern oder mit einer negativen Spannung verkleinern.

Wie aber entsteht der Kanal von Anfang an? Dazu werden beim Herstellungsprozess in das p-dotierte Grundsubstrat knapp unterhalb der Oxidschicht Ionen implementiert. Die Schwellenspannung verändert sich in abhängig der Ionen-Konzentration.

NMOS Schaltzeichen

Die Schaltzeichen zwischen NMOS Anreicherungstyp und NMOS Verarmungstyp unterscheiden sich kaum: Während der „Pfeil“ beim Anreicherungstyp auf eine gestrichelte Linie zeigt, zeigt er beim Verarmungstyp auf eine durchgezogene Linie. Die gestrichelte Linie soll andeuten, dass ein Kanal erst entstehen muss.

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NMOS Schaltzeichen: Verarmungstyp (links) und Anreicherungstyp (rechts).

p-Kanal MOSFET (PMOS)

Wenn du den n-Kanal MOSFET verstanden hast, dann wird es dir nicht schwer fallen, auch den p-Kanal MOSFET oder PMOS zu begreifen. 

PMOS Aufbau

Der PMOS besteht aus einem leicht n-dotierten Grundsubstrat, indem zwei stark p-dotierte Zonen eingefügt werden. Ähnlich zum n-Kanal MOSFET bilden die Zonen den Source- bzw. Drain-Anschluss. Den Gate-Anschluss bildet wieder eine metallische Schicht, die durch eine Oxidschicht vom Grundsubstrat getrennt wird.

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Aufbau eines p-Kanal MOSFETs.

PMOS Funktionsweise

Wie beim NMOS hast du auch beim PMOS zwei Varianten: Anreicherungstyp und Verarmungstyp. Insgesamt verhält sich der PMOS wie der NMOS. Der Unterschied besteht nur in zwei Dingen

  1. Aus positiven Spannungen werden negative Spannungen (die Polaritäten der Spannungen werden umgedreht);
  2. Statt Elektronen sind Löcher für den Stromfluss verantwortlich.

Das heißt, du hast am Gate eine negative Spannung. Dadurch erzeugst du innerhalb des Grundsubstrat ein elektrisches Feld, das in Richtung Gate zeigt. Die Löcher im n-dotierten Substrat werden durch das elektrische Feld in Richtung Oxidschicht gezogen und rekombinieren dort mit den vielen Elektronen. Irgendwann ist die Spannung so negativ, dass unterhalb der Oxidschicht nicht mehr genug Elektronen für die Rekombination vorhanden sind; der p-Kanal ist entstanden. Nun können Löcher vom Source in Richtung Drain fließen.

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Bildung des Kanals beim PMOS.

PMOS Schaltzeichen

Auch die Schaltzeichen unterscheiden sich kaum von den Schaltzeichen des NMOS. Nur die Richtung des „Pfeils“ ist beim PMOS umgedreht. Die Pfeilrichtung zeigt immer von „P nach N“. Beim PMOS zeigt sie also vom p-Kanal zum n-dotierten Grundsubstrat. Beim NMOS hingegen vom p-dotierten Grundsubstrat zum n-Kanal.

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PMOS Schaltzeichen: Verarmungstyp (links) und Anreicherungstyp (rechts).

MOSFET als Schalter

Lass uns zum Schluss anschauen, wie du mit einer einfachen Schaltung den MOSFET als Schalter verwenden kannst. Der Aufbau besteht aus fünf Komponenten: Eine Spannungsquelle, ein NMOS, zwei Widerstände und ein Verbraucher (etwa eine LED).

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Einfacher Schaltkreis mit NMOS als Schalter.

Der NMOS ist hier ein selbstsperrender n-Kanal MOSFET. Wenn du also keine positive Spannung am Gate anlegst, wird kein Strom fließen. Mit anderen Worten: Der Schalter ist offen und die LED wird nicht leuchten.

Legst du jetzt aber an dem Gate eine positive Spannung an, so wird sich ein n-Kanal bilden. Der NMOS wird leitend und es kann Strom fließen. Das heißt, der Schalter ist geschlossen und die LED wird leuchten.

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