Alles über MOSFETs

MOSFETs sind dann nützlich, wenn Stromflüsse gesteuert werden sollen. In der Ausgangslage fließt ein Strom zwischen Quelle (engl. source) und Abfluss (drain). Eine Steuerelektrode (gate) kann nun die Situation beherrschen: Wenn an ihr keine Spannung anliegt, kann der Strom nicht fließen. Also hat ein MOSFET mindestens drei Anschlüsse; das sind die Stifte auf dem Gehäuse:

• eine Steuerelektrode (Gate)
• ein Abfluss (Drain)
• und eine Quelle (Source).

Es gibt auch MOSFETs, die einen zusätzlichen Anschluss haben: Dieser heißt B (für engl. bulk, auf Deutsch „Substrat“). Dieser B-Anschluss wird nach außen geführt und ist mit der Rückseite des Chips verbunden.

Ein MOSFET wirkt wie andere Feldeffekttransistoren als Widerstand, der durch Spannung gesteuert wird. Er kann den Stromfluss in mehreren Größenordnungen ändern. Ändert sich die Spannung zwischen Gate und Source, ändert sich auch der Widerstand zwischen Drain zur Source. Je niedriger die angelegte Spannung, desto höher der Widerstand und umgekehrt. Diese MOSFET-Funktion kann das früher häufig übliche Relais ersetzen, insbesondere wenn große Ströme ein- und ausgeschaltet werden sollen. Dabei weisen FETs, im Vergleich zu bipolaren Transistoren, eine sehr geringe Verlustleistung auf.

Ob der Strom im MOSFET bei negativer oder positiver Spannung fließt, hängt von der Ausgestaltung als N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFET ab. Durch die jeweilige Ausgestaltung als Anreicherungs- oder Verarmungstyp ergeben sich unterschiedliche Funktionsweisen und zahlreiche Einsatzmöglichkeiten (siehe unten: Arten von MOSFETs).

Wie bereits erwähnt unterteilt man MOSFETs in zwei Gruppen: in N-Kanal MOSFETs und in P-Kanal-MOSFETs. Die Buchstaben N und P haben mit unterschiedlichen Fremdstoffen zu tun, mit der Trägerstoff (meist Silizium) angereichert (dotiert) wird. Die Dotierung geschieht entweder mit N (steht für negativ) oder mit P (steht für positiv). In beiden Fällen sorgt das Hinzufügen von Fremdatomen dafür, dass sich die elektrische Leitfähigkeit erhöht.

N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETS gibt es jeweils in zwei Formen, die sich im inneren Aufbau und den elektrischen Eigenschaften unterscheiden:

Der Verarmungsmodus-MOSFET funktioniert als zweidimensionaler Schalter. Wird keine Spannung an das Gate angelegt, fließt ungehindert Strom durch den Transistor. Er wird daher als „selbstleitend“ bezeichnet. Erst wenn eine negative Spannung anliegt, stoppt der Stromfluss.

Im Gegensatz dazu sind Anreicherungsmodus-MOSFETS selbstsperrend. Sie können je nach Stärke der angelegten Sperrung variabel gesteuert werden. Liegt keine Spannung an, fließt auch kein Strom. Sie sind grundsätzlich beliebter als ihre Pendants.

Den Stromfluss zwischen Source und Drain steuert das Gate. Liegt an diesem keine Spannung an, fließt auch kein Strom, da keine freien Ladungsträger zwischen den beiden n-dotierten Bereichen zur Verfügung stehen. Wird jedoch eine positive Spannung am Gate angelegt, so bildet sich ein positives elektrisches Feld aus, das Elektronen in der p-dotierten Schicht anzieht, die Löcher jedoch abstößt. Die Elektronen bilden einen n-leitenden Kanal, der schließlich die Elektronen, bzw. den Strom von Source nach Drain leiten kann.

Durch Erhöhen der Spannung kann die Stromstärke zwischen Source und Drain verstärkt werden (da dadurch ein stärkeres elektrisches Feld entsteht und somit ein größerer n-leitender Kanal). Da ohne Spannung am Gate kein Stromfluss möglich ist, nennt man diese Transistorart selbstsperrend.

Die Hauptfunktion eines MOSFETs ist die als elektronischer Schalter, z.B. bei Motoren. MOSFETs können sehr heiß werden, weil der gesamte Strom während eines laufenden Motors über sie geleitet werden. Also muss für jeden MOSFET der maximale Dauerstrom und der kurzfristig mögliche Spitzenstrom angegeben sein.

Weil MOSFETs sehr schnell reagieren und schalten können – im Gegensatz zu einem mechanischen Relais – lassen sie sich gut bei E-Motoren einsetzen, damit diese auch wirklich ruckelfrei laufen. Im so genannten Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) wird der Strom schubweise durch das MOSFET geleitet. Durch ständiges An- und Ausschalten kann man dann eine mittlere Spannung herstellen. Eine Angabe zur Schaltgeschwindigkeit darf bei einem MOSFET daher nicht fehlen.

Wenn man MOSFETs grafisch darstellen will, nutzt man dafür entsprechende, meist standardisierte Zeichen, die so genannten Schaltzeichen. Sie zeigen schematisch die Anschlüsse für Gate, Source, Drain und Bulk (manchmal auch Body). In den Zeichnungen gibt es immer einen Pfeil, der in eine entsprechende Richtung zeigt. Damit kennzeichnet man den MOSFET Kanal-Typ:

• Pfeil zum Kanal = n-Kanal-Transistor
• Pfeil weg vom Kanal = p-Kanal-Transistor

Ein weiteres Element der Schaltzeichen ist die gestrichelte oder durchgezogene Linie. Sie zeigt an, ob ein Transistor selbstsperrend oder selbstleitend ist.

• Gestrichelte Linie = selbstsperrend (Anreicherungstyp)
• Durchgängige Linie = selbstleitend (Verarmungstyp)

Alle MOSFETs haben es, egal ob NMOS-Anreicherungstyp, NMOS-Verarmungstyp, PMOS-Anreicherungstyp oder PMOS-Verarmungstyp: das Ausgangskennlinienfeld. Es stellt den Zusammenhang zwischen dem Abfluss-Strom und der Abfluss-Quelle-Spannung im Verhältnis zur Gate-Quelle-Spannung dar.

MOSFETS haben eine stark geknickte Kennlinie. Dadurch können sie sehr schnell schalten, denn mit einer kleinen Spannungsschwankung am Gate lässt sich schnell ein hoher Strom ein- und ausschalten. Dadurch sind sie herkömmlichen Transistoren überlegen. Bei denen nämlich fließt durch die linear ansteigende Kennlinie der Strom stark proportional zur Eingangsspannung. Die Unterschiede in den einzelnen MOSFET-Kennlinien kommen durch die Potentialbezugspunkte von Abfluss und Quelle zustande. Weitere Faktoren, die die Kennlinien beeinflussen, sind z.B. Vorzeichen des Verstärkungsfaktors, Temperatur, Substratvorspannung und Kurzkanaleffekte.

MOSFETs bewahren Elektrokomponenten vor dem Überhitzen. Hier sind einige typische Beispiele dafür:

• 3D-Drucker wie der ANET 8 sind aufgrund des äußerst niedrigen Kaufpreises zwar beliebt, im Dauerbetrieb allerdings auch störanfällig. Viele Hobbybastler schwören deshalb auf das Anbringen eines MOSFET für das Heizbett und das Hotend, um hier schnelle Abhilfe zu schaffen. Der MOSFET leitet die hohen Ströme vom Heizbett und Hotend nicht über das Mainboard, sondern schaltet sie wie ein Relais direkt. Diese Lösung verhindert ein Durchbrennen des Mainboards und verringert die Wartung des ANET 8. Noch besser ist es allerdings, gleich von Anfangen an in ein gutes Modell zu investieren. Eine Übersicht finden Sie in unserem 3D-Drucker-Einkaufsratgeber.
• Airsoft-Waffen: Die Switch-Unit (oder auch Trigger) einer ASG kann aufgrund der Spannungsspitzen nach einer Weile überlasten und durchschmoren. Für Entlastung sorgt ein nachträglich eingebauter MOSFET. Der Strom wird dadurch nicht mehr direkt über die Airsoft-Switch-Unit geleitet. Also spricht der Trigger besser an, braucht weniger Strom, schmaucht nicht so leicht durch und hält dadurch wesentlich länger. Auch einen unsauberen Schlusszyklus kann ein MOSFET korrigieren. Hier sollten allerdings nur erfahrene Bastler Änderungen an der Airsoft-Waffe Hand anlegen.
• MOSFETs können sogar Aufgaben in einer ASG übernehmen, für die sonst Microcomputer nötig wäre. Diese so genannten Drop-in-MOSFETs sind direkt in der GB verbaut. Mit ihnen lassen sich z.B. Feuermodi programmieren oder die Motorgeschwindigkeit steuern. Die handelsüblichen FETs lassen sich von geduldigen Bastlern auch selbst löten. Dazu empfiehlt sich eine Supressordiode. Letztere braucht man aber nicht bei AEPs.
• Schaltnetzteile sind ein anderes klassisches Einsatzgebiet für MOSFETs. Hier zeigt sich die Vielseitigkeit der potenten Alleskönner. Der Aufwärtswandler verwendet schnelle MOSFETs, die die Schaltverluste geringhalten. In der eigentlichen Wandlerstufe lässt sich mit den verschiedenen MOSFETs die gewünschte Betriebsart abbilden und der Wirkungsgrad verbessern. Sicherheitsfans kommen mit robusten FETs, die Spannungsspitzen abfedern, auf ihre Kosten. Noch rasanter ist diese Kombination: ein Gleichspannungswandler, der Spannungen ableitet, und dazu schnell schaltende MOSFETs.

Unten aufgeführt finden Sie einige der beliebtesten Hersteller von MOSFETs: