Der Feldeffekttransistor

Diese Seite ist zur Einführung der Funktionsweise eines MOSFET im Mittelstufenunterricht Physik oder NwT gedacht. Die Darstellung ist evtl. an einigen Stellen didaktisch vereinfacht, um die wesentlichen Ideen zu zeigen. Ein spezieller Transistor ist der Feldeffekttransistor, auch FET genannt. Die gebräuchlichste Ausführung ist der MOSFET. MOS kommt von "metal oxide semiconductor" - also Metalloxid Halbleiter.

Schaltzeichen

1) Aufbau eines n-Kanal-FETs.

Als Basis, man nennt sie beim MOSFET "Gate (G)" (engl.: Tor), wird ein sogenanntes Substrat verwendet. Es ist ein schwach p-dotiertes Material, also ein Halbleiter, bei dem die Löcher (positive Ladung) leicht gegenüber den freien Elektronen (negative Ladung) überwiegen.
Beachte die eingezeichneten Ladungsträger im Substrat, hier sind stellvertretend zwei freie Elektronen (blau) und vier Löcher (rot) gezeichnet (vgl. Abb.)

In dieses Substrat sind zwei n-leitende Gebiete (violett) eindotiert worden. Man nennt das linke Gebiet "Source (S)" (engl.: Quelle), es entspricht dem Emitter beim bipolaren Transistor. Es ist mit dem Minuspol der Quelle USD (schwarz) verbunden. Das rechte n-leitende Gebiet heißt "Drain (D)" (engl.: Abfluss). Es entspricht dem Kollektor beim bipolaren Transistor und ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden (vgl. Abb.)

Der ganze Bereich darüber wird mit nichtleitendem SiO2 (Siliziumoxid) beschichtet, es ist das Metalloxid. Dieses ist hier gelb gezeichnet. Darüber ist der Gate-Anschluss (grau).

2) Der MOSFET sperrt.

Zunächst wird keine Spannung zwischen Source und Gate angelegt. Die blau gezeichnete Spannung U_SG hat also den Wert 0 V.
Zwischen der n-dotierten Source und dem p-dotierten Substrat bildet sich (wie bei Diode und bipolarem Transistor) ein p-n-Übergang, also eine nichtleitende Grenzschicht, aus (weiß gezeichnet). Das gleiche passiert zwischen dem Substrat und dem Drain.
Also besteht zunächst keine leitende Verbindung zwischen Source und Drain - der MOSFET sperrt. Im Stromkreis Source-Drain (schwarz gezeichnet) kann kein Strom fließen, die Lampe ist dunkel.

3) Der MOSFET leitet.

Nun wird zwischen Source und Gate eine Spannung (blau) angelegt. Was passiert dabei?

Durch diese Spannung fließt positive Ladung auf das Gate (genauer, es werden alle dort vorhandenen Elektronen zum Pluspol von USG "abgesaugt".) Diese positive Ladung hat nun Auswirkungen auf das Substrat darunter: Die positiven Ladungen ("Löcher"- rot ) werden im Substrat nach unten verschoben, weil sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Gleichzeitig werden die freien Elektronen nach oben gezogen, da sich ungleichnamige Ladungen anziehen. Sie können wegen der isolierenden Metalloxidschicht (gelb) aber nicht zum Gate gelangen.

Jedoch gibt es nun jede Menge freier Elektronen zwischen Source und Drain. Der Bereich unterhalb der Metalloxidschicht wird leitend, es entsteht ein sogenannter "n-Kanal" zwischen Source und Drain (violett gezeichnet).
Der MOSFET leitet. Im schwarzen Stromkreis fließt ein Strom, die Lampe leuchtet.
Sieh Dir dazu die Animation genau an, sie entwickelt diese Idee Schritt für Schritt.

4) Kennlinie eines MOSFET Dies geschieht, wenn die Spannung zwischen Source und Gate (USG) über etwa 3,0 V liegt. Ist sie kleiner, sperrt der MOSFET. Wie groß die Stromstärke zwischen Source und Drain dabei wird, hängt natürlich vom im Stromkreis liegenden Gerät ab! Dies ist also nur ein Beispiel.

5) Steuerung völlig ohne Verluste - leistungsfrei.

Da keine Elektronen vom Substrat zum Gate gelangen, kann man einen MOSFET völlig leistungsfrei steuern!
Dadurch gibt es auch keine Wärmeentwicklung und der MOSFET ist sehr empfindlich. Daher ist dieser Transistortyp vor allem bei hochverdichteten Schaltungen und Computerchips sehr beliebt.

Allerdings ist der MOSFET empfindlich gegenüber hohen Spannungen.
Solche können z.B. entstehen, wenn man mit Gummisohlen über einen Teppichboden aus Kunstfasern läuft. Dabei laden wir uns auf. (Du hast Dir bestimmt schon einmal "einen eingefangen", wenn Du dann einen geerdeten Gegenstand berührt hast und die Ladung abfließt!). Ist man so aufgeladen und berührt dann zufällig das Gate eines nicht angeschlossenen MOSFET, so kann es passieren, dass dabei die isolierende Metalloxidschicht "durchschießt". Dann kann das Gate nicht mehr steuern und der MOSFET ist zerstört.
Bevor man MOSFETs also in eine Schaltung einbaut, sollte man sich sicherheitshalber gegen Erde entladen.
Moderne MOSFETs haben allerdings häufig eine "Schutzschaltung" eingebaut, die dies verhindern soll.

Grüninger, Landesbildungsserver, 2009