Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor

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Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch: metal oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET auch MOS-FET, selten MOST) ist der zur Zeit meistverwendete Feldeffekttransistor für analoge und digitale integrierte Schaltungen.

Ähnlich wie beim Bipolartransistor kann auch der MOSFET in die zwei grundlegenden Varianten p-Typ (auch p-leitend oder PMOS) und n-Typ (auch n-leitend oder NMOS) eingeteilt werden. Werden, beispielsweise in integrierten Digitalschaltungen, beide Typen gemeinsam verwendet, spricht man auch von CMOS (= Complementary MOS). Zusätzlich gibt es von beiden Varianten jeweils zwei Formen, die sich im inneren Aufbau und in den elektrischen Eigenschaften unterscheiden:

1. selbstleitend (engl.: depletion) – auch normal-an, normal leitend, Verarmungstyp
2. selbstsperrend (engl.: enhancement) – auch normal-aus, normal sperrend, Anreicherungstyp

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Aufbau und Funktionsweise 2.1 Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs 3 Bauformen 4 Vor- und Nachteile 5 Leckströme 6 Anmerkungen zum Namen dieser Transistorform 7 Siehe auch 8 Weblinks 9 Literatur 10 Einzelnachweise

[Bearbeiten] 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, strenges Temperaturregime).

[Bearbeiten] 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. Meistens ist das Bulk jedoch intern mit dem Source 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.

[Bearbeiten] 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 U_th (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 Body-Diode ist als Pfeil im Schaltsymbol des MOSFETs dargestellt und zeigt beim n-Kanal-MOSFET vom Bulkanschluss zum Kanal. Bei der Anwendung ist die Body-Diode in der Regel in Sperrrichtung gepolt, bei manchen Schaltanwendungen kann sie jedoch genutzt werden, um Inversbetrieb zu verhindern.

siehe auch: Feldeffekttransistor.

[Bearbeiten] Bauformen

Im Wesentlichen ist zwischen lateralen (also parallel zu der Oberfläche ausgerichteten) 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.

[Bearbeiten] 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 kaum 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 sogenannte 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 parallelschalten, 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 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.

[Bearbeiten] Leckströme

Bei den Leckströmen handelt es sich um unerwünschte Stromflüsse innerhalb der Transistoren. Diese treten sowohl im gesperrten als auch im leitenden Zustand des Transistors auf. Momentan (Stand 2008) sind hierbei vor allem der Subthreshold-Leakage (frei übersetzt: Unterschwellspannungs-Leckstrom), Junction-Leakage als auch der Gate-Oxid-Leckstrom dominierend.

In aktuellen CMOS-Technologien mit Gate-Längen von weniger als 100 nm stellen die Leckströme eines der Hauptprobleme im Chip-Entwurf dar^[2]. Studien^[3][4] sagen voraus, dass in aktuellen und zukünftigen Prozessoren die Leckströme bis zur Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs verursachen.

[Bearbeiten] Anmerkungen zum Namen dieser Transistorform

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 Aluminium (ein Metall) als Gate-Material verwendet wurde. In der Halbleitertechnologie gibt es allerdings derzeit Bestrebungen das Polysilizium 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.

[Bearbeiten] Siehe auch

• RADFET

[Bearbeiten] Weblinks

• Genaue Erklärung der MOS-Struktur
• Java-Applet zum NMOS
• SEMIKRON-Handbuch – Funktion und Anwendungshinweise
• ELektronik-KOmpendium - MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET)

[Bearbeiten] Literatur

• Hans-Joachim Fischer, Wolgang E. Schlegel: Transistor- und Schaltkreistechnik. 4. Auflage. Militärverlag der DDR, Berlin 1988.

• Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer: Silizium-Planartechnologie. Grundprozesse, Physik und Bauelemente. Teubner, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden 2003, ISBN 3519004674.

[Bearbeiten] Einzelnachweise

1. ↑ U.S. Patent 1,745,175 - J. E. Lilienfeld: "Method and Apparatus For Controlling Electric Currents."
2. ↑ Gordon Moore: No Exponential is Forever … but We Can Delay ’Forever’. International Solid State Circuits Conference (ISSCC), USA, 2003
3. ↑ Y. S. Borkar: VLSI Design Challenges for Gigascale Integration. '18th Conference on VLSI Design, Kolkata, India, 2005
4. ↑ ITRS – International technology roadmap for semiconductors 2006 Update.Technischer Report, 2006