Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
MOSFET steht für Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Transistoren sind kleine elektrische Geräte, die unter anderem in Weckern, Taschenrechnern und, vielleicht am bekanntesten, in Computern verwendet werden; sie gehören zu den grundlegendsten Bausteinen der modernen Elektronik. Einige wenige MOSFETs verstärken oder verarbeiten analoge Signale. Die meisten werden in der digitalen Elektronik verwendet.
MOSFETs wirken wie Ventile für Elektrizität. Sie haben einen Eingangsanschluss (das "Gate"), der zur Steuerung des Stromflusses zwischen zwei anderen Anschlüssen (der "Source" und dem "Drain") dient. Anders ausgedrückt: Das Gate fungiert als Schalter, der die beiden Ausgänge steuert. Stellen Sie sich einen dimmbaren Lichtschalter vor: Der Knopf selbst wählt 'ON', 'OFF' oder irgendwo dazwischen aus und steuert die Helligkeit des Lichts. Stellen Sie sich einen MOSFET anstelle des Lichtschalters vor: Der Schalter selbst ist das "Gate", die "Quelle" ist der Strom, der ins Haus kommt, und der "Abfluss" ist die Glühbirne.
Der Name MOSFET beschreibt den Aufbau und die Funktion des Transistors. MOS bezieht sich auf die Tatsache, dass ein MOSFET aufgebaut wird, indem Metall (das "Gate") auf Oxid (ein Isolator, der den Stromfluss verhindert) auf Halbleiter (die "Source" und "Drain") geschichtet wird. FET beschreibt die Wirkung des Gates auf den Halbleiter. Ein elektrisches Signal wird an das Gate gesendet, das ein elektrisches Feld erzeugt, das die Verbindung zwischen "Source" und "Drain" verändert.
Fast alle MOSFETs werden in integrierten Schaltungen eingesetzt. Seit 2008 ist es möglich, 2.000.000.000.000 Transistoren auf einer einzigen integrierten Schaltung unterzubringen. Im Jahr 1970 lag diese Zahl bei etwa 2.000.
Einzeln verpackte MOSFETs
Theorie
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, MOSFETs auf dem Halbleiter herzustellen. Die einfachste Methode ist in der Abbildung rechts neben diesem Text dargestellt. Der blaue Teil stellt Silizium vom Typ P dar, während der rote Teil Silizium vom Typ N darstellt. Die Schnittmenge der beiden Typen ergibt eine Diode. Beim Silizium-Halbleiter gibt es eine Eigenart, die als "Verarmungszone" bezeichnet wird. Bei dotiertem Silizium, wobei ein Teil N-dotiert und ein Teil P-dotiert ist, bildet sich an der Schnittstelle zwischen den beiden Typen auf natürliche Weise eine Verarmungszone. Das liegt an ihren Akzeptoren und Spendern. Silizium vom P-Typ hat Akzeptoren, auch als Löcher bekannt, die Elektronen anziehen. Das N-Typ-Silizium hat Donatoren, oder Elektronen, die von Löchern angezogen werden. In der Grenze zwischen beiden füllen die Elektronen des N-Typs die Löcher des P-Typs. Dies führt dazu, dass die Akzeptor- oder P-Typ-Atome negativ geladen werden, und da negative Ladungen positive Ladungen anziehen, werden Akzeptoren oder Löcher in Richtung des "Übergangs" fließen. Auf der Seite des N-Typs gibt es eine positive Ladung, was dazu führt, dass die Donatoren oder Elektronen in Richtung des "Übergangs" fließen. Wenn sie dort ankommen, werden sie von der negativen Ladung auf der anderen Seite des Übergangs abgestoßen, da gleiche Ladungen abstoßen. Dasselbe geschieht auf der P-Typ-Seite, die Donatoren oder Löcher werden durch den positiven Bereich auf der N-Typ-Seite abgestoßen. Zwischen den beiden kann kein Strom fließen, da keine Elektronen auf die andere Seite gelangen können.
MOSFETs nutzen dies zu ihrem Vorteil. Der "Körper" des MOSFETs wird negativ gespeist, was den Verarmungsbereich erweitert, da die Löcher mit den neuen Elektronen gefüllt werden, so dass die entgegengesetzte Kraft zu den Elektronen auf der N-Seite viel größer wird. Die "Quelle" des MOSFET wird negativ gespeist, wodurch die Verarmungszone im N-Typ vollständig schrumpft, da genügend Elektronen vorhanden sind, um die positive Verarmungszone zu erfüllen. Der "Drain" hat eine positive Leistung. Wenn das "Gate" mit positiver Spannung versorgt wird, erzeugt es ein kleines elektromagnetisches Feld, das die Verarmungszone direkt unter dem Gate entfernt, da ein "Spray" von Löchern entsteht, das einen so genannten "N-Kanal" bildet. Der N-Kanal ist ein vorübergehender Bereich des P-Typ-Siliziumbereichs, in dem es keine Verarmungszone gibt. Das positive elektrische Feld wird alle Reserveelektronen neutralisieren, aus denen die Verarmungszone besteht. Die Elektronen im Quellbereich haben dann einen klaren Weg, um sich zum "Drain" zu bewegen, wodurch Elektrizität von der Quelle zum Drain fließen kann.
Schema eines einfachen MOSFETs
Fragen und Antworten
F: Was ist ein MOSFET?
A: Ein MOSFET ist ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, ein elektronisches Bauteil, das als elektrisch gesteuerter Schalter fungiert.
F: Wofür werden Transistoren verwendet?
A: Transistoren sind kleine elektrische Bauteile, die in Radios, Taschenrechnern und Computern verwendet werden. Sie gehören zu den grundlegenden Bausteinen moderner elektronischer Systeme.
F: Wie funktioniert ein MOSFET?
A: Ein MOSFET funktioniert wie ein Ventil für Strom. Er hat einen Eingangsanschluss (das "Gate"), über den der Stromfluss zwischen zwei anderen Anschlüssen (der "Source" und dem "Drain") gesteuert wird. Das Gate fungiert als Schalter, der die beiden Ausgänge steuert.
F: Worauf bezieht sich der Name 'MOSFET'?
A: Der Name MOSFET beschreibt die Struktur und Funktion des Transistors. MOS' bezieht sich auf die Tatsache, dass er durch die Schichtung von Metall (das "Gate") auf Oxid (ein Isolator, der den Stromfluss verhindert) auf einem Halbleiter (der "Source" und "Drain") aufgebaut ist. Der Begriff 'FET' beschreibt die Wirkung des Gates auf den Halbleiter.
F: Wo werden fast alle MOSFETS eingesetzt?
A: Fast alle MOSFETS werden in integrierten Schaltungen verwendet.
F: Wie viele Transistoren passen heute auf einen integrierten Schaltkreis im Vergleich zu 1970?
A: 2008 ist es möglich, 2.000.000.000 Transistoren auf einem einzigen integrierten Schaltkreis unterzubringen, während 1970 etwa 2.000 Transistoren auf einem IC untergebracht werden konnten.
