MOSFET

Ob Akku-Schrauber, Laptop-Netzteil, E-Bike-Controller oder LED-Dimmer: Wo heute Strom effizient geschaltet wird, arbeitet ein MOSFET. Er schaltet zehn Ampere mit wenigen Milliohm Widerstand, braucht im eingeschalteten Zustand keinen Steuerstrom und wechselt in Nanosekunden zwischen Ein und Aus. Auch jeder Mikrocontroller besteht innen aus Millionen kleiner MOSFETs. Dieser Artikel konzentriert sich auf den diskreten MOSFET als Schalter – das Bauteil, das du auf deiner Platine einsetzt.

Aufbau und Funktionsweise

MOSFET steht für Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Beim N-Kanal-Typ sind in ein p-dotiertes Substrat zwei stark n-dotierte Inseln eingebracht, Source und Drain. Dazwischen liegt auf der Oberfläche eine hauchdünne Isolierschicht aus Siliziumoxid, darauf die Gate-Elektrode – früher aus Aluminium, heute meist aus hochdotiertem Polysilizium.

Ohne Gate-Spannung liegen zwischen Source und Drain zwei gegeneinander geschaltete pn-Übergänge – es fließt kein Strom, der MOSFET ist selbstsperrend (Anreicherungstyp). Legst du eine positive Spannung zwischen Gate und Source an, wirkt die Anordnung wie ein Kondensator: Das elektrische Feld durch das Oxid drängt die Löcher von der Oberfläche weg und zieht Elektronen an. Ab der Schwellspannung U_GS(th) sammeln sich unter dem Oxid so viele Elektronen, dass eine dünne n-leitende Schicht entsteht, die Inversionsschicht. Sie verbindet Source und Drain, der Kanal leitet. Je höher U_GS, desto mehr Elektronen, desto kleiner der Widerstand.

Leistungs-MOSFETs sind anders gebaut als dieses Lehrbuchbild: Der Strom fließt senkrecht durch den Chip, und Tausende kleiner Zellen arbeiten parallel. Am Prinzip ändert das nichts – wohl aber entsteht dabei zwangsläufig eine Diode zwischen Source und Drain, die Body-Diode.

Den Überblick über alle FET-Arten – auch den selten gewordenen selbstleitenden Verarmungstyp – gibt Feldeffekttransistor (FET).

Schaltzeichen und Body-Diode

Das Gate ist als separate Linie gezeichnet, getrennt vom Kanal durch die Isolierung. Beim selbstsperrenden MOSFET ist der Kanal unterbrochen dargestellt. Der Pfeil am Substratanschluss zeigt beim N-Kanal zum Kanal hin, beim P-Kanal vom Kanal weg. Bei diskreten MOSFETs ist das Substrat intern mit Source verbunden; die Body-Diode liegt beim N-Kanal mit der Anode an Source und der Kathode an Drain, beim P-Kanal umgekehrt.

Die Body-Diode hat zwei Folgen. Ein MOSFET sperrt nur in einer Richtung: Liegt beim N-Kanal Source höher als Drain, leitet die Diode, egal was das Gate macht. Und sie ist in Brückenschaltungen nützlich, weil sie den Strom induktiver Lasten übernimmt. Sie ist aber oft langsam und hat eine Flussspannung um 0,8 bis 1,2 V; für hohe Ströme gibt man ihr deshalb eine externe Schottky-Diode zur Seite.

Kennlinien und Kennwerte

Im Ausgangskennlinienfeld unterscheidet man zwei Bereiche. Im ohmschen Bereich bei kleinem U_DS verhält sich der Kanal wie ein Widerstand – hier arbeitet der MOSFET als geschlossener Schalter. Im Sättigungsbereich hängt der Strom fast nur von U_GS ab, hier arbeitet er als Verstärker oder Stromquelle. Vorsicht: Das Wort Sättigung bedeutet beim MOSFET das Gegenteil wie beim Bipolartransistor, wo es den voll eingeschalteten Zustand meint (siehe Übersteuerung und Sättigung).

Für die Auslegung zählt vor allem R_DS(on), und zwar bei deiner Gate-Spannung und bei hoher Temperatur. Er steigt mit der Erwärmung; bei 150 °C ist er typischerweise 1,7- bis 2-mal so groß wie bei 25 °C. Der I_D-Wert im Datenblatt gilt für ein auf 25 °C gekühltes Gehäuse und ist in der Praxis kaum erreichbar.

Verluste und Kühlung

Im eingeschalteten Zustand ist der MOSFET ein Widerstand. Die Leitverluste sind deshalb

Dazu kommen bei schnellem Takten Schaltverluste, weil beim Umschalten kurz Spannung und Strom gleichzeitig anliegen. Wie lange das dauert, bestimmt der Gate-Treiber über die Gate-Ladung Q_g.

Diese Rechnung samt Schaltverlusten und Sperrschichttemperatur macht der Rechner für dich:

Wie der Wärmewiderstand zustande kommt und wie du Kühlkörper auswählst, steht unter Wärme und Kühlung.

Ansteuerung

• Gate-Spannung: Normale („Standard-Level“) MOSFETs brauchen 10 V, Logic-Level-Typen 4,5 V oder weniger. Mehr als U_GS,max (meist ±20 V) zerstört das Oxid sofort.
• Gate-Widerstand: 10 bis 100 Ω in Reihe zum Gate dämpfen Schwingungen und begrenzen den Ladestrom aus dem Treiber.
• Pull-down: 10 kΩ bis 100 kΩ von Gate nach Source halten den MOSFET aus, solange die Ansteuerung hochohmig ist.
• Treiber: Für PWM über einige Kilohertz oder große Gate-Ladungen gehört ein Gate-Treiber-IC zwischen Mikrocontroller und MOSFET; er liefert Spitzenströme von einem Ampere und mehr. Zur Abschätzung: Umschaltzeit t ≈ Q_g / I_G.

Wie der Bipolartransistor lässt sich auch der MOSFET als Low-Side- oder High-Side-Schalter einsetzen. Für die Low-Side nimmst du einen N-Kanal mit Source an Masse; für die High-Side entweder einen P-Kanal mit Source an Plus oder einen N-Kanal mit einem Treiber, der das Gate über die Versorgung anhebt. Die Grundidee zeigt Unterschied zwischen NPN und PNP, die Schritte zum Auslegen Transistor als Schalter.

Typische Anwendungen

• Lastschalter für Motoren, Heizungen, LED-Streifen und Magnetventile, mit Freilaufdiode bei induktiven Lasten.
• Schaltregler: Buck- und Boost-Wandler takten mit 100 kHz bis einigen Megahertz, siehe Schaltregler (Buck und Boost).
• H-Brücken für Gleichstrommotoren aus vier MOSFETs, deren Body-Dioden den Freilauf übernehmen.
• Verpolschutz: Ein P-Kanal-MOSFET in der Plusleitung (Drain zur Batterie, Source zur Last, Gate über Widerstand an Masse) leitet nur bei richtiger Polung und verliert dabei statt 0,7 V nur I · R_DS(on).
• Pegelwandler zwischen 3,3 V und 5 V mit einem BSS138, etwa für I²C.
• Akku-Schutzschaltungen und elektronische Sicherungen.

Häufige Fehler

• Standard-MOSFET am 3,3-V-Pin: Er leitet nur halb, wird heiß und stirbt. Logic-Level-Typ wählen und R_DS(on) bei deiner Gate-Spannung prüfen.
• Gate offen: Beim Booten oder bei abgezogenem Stecker schaltet der MOSFET undefiniert halb ein.
• Body-Diode vergessen: In Verpolschutz- und Akku-Schaltungen leitet sie in Gegenrichtung trotzdem. Zwei MOSFETs mit gemeinsamer Source sperren in beide Richtungen.
• Mit I_D aus der Überschrift gerechnet: „33 A“ gelten nur am idealen Kühlkörper. Rechne mit I² · R_DS(on) bei Betriebstemperatur.
• ESD beim Bestücken: Das Gate-Oxid ist nur einige zehn Nanometer dick, siehe ESD.
• Kühlfahne auf Drain-Potential: Beim TO-220 und D-PAK ist die Fahne meist mit Drain verbunden. Ohne Isolierscheibe liegt der Kühlkörper an der geschalteten Spannung.

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