12.16 : Eigenschaften von MOSFETs

Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder MOSFETs spielen eine entscheidende Rolle in elektronischen Schaltkreisen. Sie werden hauptsächlich zum Verstärken und Schalten von Signalen verwendet.

Verschiedene wichtige Parameter beeinflussen ihre Funktionalität, die für Theorie und elektronische Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Erstens sind die Kanalabmessungen, genauer gesagt Länge und Breite, entscheidend. Die Größe dieser Kanäle beeinflusst die Fähigkeit des Transistors, Strom zu leiten, und die Schaltgeschwindigkeiten; kürzere Kanäle ermöglichen normalerweise einen schnelleren Betrieb. Als nächstes moduliert die Oxiddicke, die Siliziumdioxidschicht, die das Gate vom Kanal trennt, die Kontrolle des Gates über den Kanal. Dünnere Oxide erhöhen die Gate-Kapazität und verbessern diese Kontrolle.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Übergangstiefe und die Substratdotierung, die die Schwellenspannung des MOSFETs anpassen und Leckströme steuern. Die Dotierung verändert die Eigenschaften des Halbleiters durch Einbringen von Verunreinigungen.

Im Betrieb weisen MOSFETs drei unterschiedliche Bereiche auf, die auf der Gate-Source-Spannung basieren.

• Im Sperrbereich ist der Transistor ausgeschaltet und weist keinen leitenden Pfad zwischen Quelle und Abfluss auf, was den Strom auf ein Minimum an Rückwärtsleckage beschränkt.
• Der lineare Bereich entsteht, sobald V_GS den Schwellenwert überschreitet und V_DS (Drain-Source-Spannung) niedrig ist. Hier wirkt der Transistor wie ein variabler Widerstand, bei dem der Drainstrom (I_D) direkt proportional zu V_DS ist und durch V_GS moduliert wird.
• Im Sättigungsbereich erreicht I_D ein Plateau, obwohl V_DS aufgrund des Pinch-Off-Effekts zunimmt, bei dem sich der Kanal in der Nähe des Abflusses verengt und den weiteren Stromfluss einschränkt.

Diese Betriebsbedingungen bestimmen, wie MOSFETs in Schaltkreisen implementiert werden, insbesondere wenn eine präzise elektronische Steuerung erforderlich ist.