Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch: metal oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET auch MOS-FET, selten MOST) ist eine Variante der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET), genauer der Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, wobei als Isolator ein Oxid (meist Siliziumdioxid) zum Einsatz kommt. Historisch begründet steht der Begriff MOSFET synonym für IGFETs in Dünnschichttechnik, die zur Zeit die meistverwendete Feldeffekttransistor für analoge und digitale integrierte Schaltungen darstellen; wobei jedoch derzeit (2009) (hauptsächlich) dotiertes Polysilizium und keine Metalle als Gate-Material zum Einsatz kommt. Bei modernen, hochintegrierten Schaltkreisen zeigt Polysilizium als Gate-Material allerdings größere Nachteile (z. B. Verarmungseffekte im Gate), weshalb seit einigen Jahren wieder verstärkt an metallischen Gate-Materialien für zukünftige Entwicklungen geforscht wird, diese zeigen hier bessere Eigenschaften gegenüber Polysilizium; derzeit (2009) nutzt nur Intel solche Materialkombinationen in der Produktion.

Schaltsymbole von MOSFETs

Geschichte

Historisch gesehen ist das Funktionsprinzip des MOSFETs wesentlich länger bekannt als das des Bipolartransistors. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 von Julius Edgar Lilienfeld^[1] und 1934 von Oskar Heil. Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 gefertigt, als mit dem Silizium/Siliziumdioxid ein Materialsystem zur Verfügung stand, mit dem sich eine reproduzierbar gute Halbleiter-Isolator-Grenzfläche herstellen ließ. Damit verbunden war die Abkehr vom Germanium als Basismaterial und steigende Anforderungen an die Fertigungsbedingungen (Reinräume, strenges Temperaturregime).

Aufbau und Funktionsweise

Prinzipieller Aufbau eines n-Kanal-MOSFETs im Querschnitt. Der n-Kanal zwischen Drain und Source bildet sich erst bei Anlegen einer positiven Gate-Source-Spannung.

Ein MOSFET ist ein aktives Bauelement. Er arbeitet wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. Er besitzt drei Anschlüsse (Elektroden): G (Gate, dt. Steuerelektrode), D (Drain), S (Source). Bei einigen Bauformen wird ein zusätzlicher Anschluss B (bulk, Substrat) nach außen geführt. Meistens ist das Bulk jedoch intern mit dem Source verbunden. Mit MOSFETs, die einen separaten Bulkanschluss besitzen, lassen sich zwischen Source und Drain kleinere Wechselspannungen steuern und schalten, wenn der Substratanschluss – im Falle von n-Kanal-MOSFET – negativer als die Wechselspannung gehalten wird.

Der Schlüssel zum Verständnis der MOS-Struktur liegt in der Entstehung eines leitenden Kanals unter dem Gate. Dieser Kanal stellt eine leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen Drain und Source her.

Varianten

Ähnlich wie beim Bipolartransistor kann auch der MOSFET in die zwei grundlegenden Varianten p-Typ (auch p-leitend oder PMOS) und n-Typ (auch n-leitend oder NMOS) eingeteilt werden. Werden, beispielsweise in integrierten Digitalschaltungen, beide Typen gemeinsam verwendet, spricht man auch von CMOS (= Complementary MOS). Zusätzlich gibt es von beiden Varianten jeweils zwei Formen, die sich im inneren Aufbau und in den elektrischen Eigenschaften unterscheiden:

1. Verarmungstyp (engl.: depletion) – auch selbstleitend, normal-an, normal leitend
2. Anreicherungstyp (engl.: enhancement) – auch selbstsperrend, normal-aus, normal sperrend

In der Praxis werden mit großer Mehrheit Anreicherungstypen eingesetzt.

Schema eines FinFET („Dual-Gate“)

Neben den konventionellen MOSFET-Varianten existieren noch diverse Spezialvarianten mit verändertem Aufbau. Ziel ist ein besseres Schaltungverhalten, was jedoch mit zum Teil deutlich erhöhten Herstellungsaufwand verbunden ist. Beispiele sind der VMOS-FET oder der FinFET, wobei letzterer bietet den Vorteil eines vergrößerten Kanalbereichs; aufgrund der Kanalbereiche oft auch als Dual- oder Tri-Gate bezeichnet.^[2][3] Diese werden zum Beispiel in HF-Schaltungen eingesetzt (HF-Verstärker, multiplikativer Mischer).

Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs

Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall (Substrat). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drain-Anschluss erzeugen. Zwischen den beiden Gebieten befindet sich weiterhin das Substrat, wodurch eine npn-Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt (vgl. npn-Transistor: Ohne Basisstrom ist der Transistor gesperrt). Genau über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne, widerstandsfähige Isolierschicht (meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Den Gate-Anschluss des Transistors bildet eine leitende Schicht, die auf diesem Dielektrikum (Isolator) oberhalb des zukünftigen Kanals aufgetragen wird. Verwendung fand hier früher Aluminium, heute n⁺ bzw. p⁺ dotiertes (entartetes) Polysilizium (Abkürzung für polykristallines Silizium).

Inversion (mit leichter Schräglage durch U_DS ≠ 0)

Durch diesen Aufbau bilden Gate-Anschluss, Dielektrikum und Bulk-Anschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Durch das elektrische Feld wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Defektelektronen). Dies wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung“ genannt. Ab einer bestimmten Spannung U_th (engl. threshold voltage, Schwellspannung) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von Minoritätsträgern, wodurch das eigentlich p-dotierte Substrat nahe an der Isolierschicht n-leitend wird. Dieser Zustand wird starke „Inversion“ genannt. Der entstandene dünne n-leitende Kanal verbindet nun die beiden n-Gebiete Source und Drain, wodurch Ladungsträger (beinahe) ungehindert von Source nach Drain fließen können.

Operationsbereiche eines n-Kanal-MOSFET

Prinzipiell sind Source- und Drain-Anschluss zunächst gleichwertig, meist ist der Aufbau aber nicht symmetrisch, um ein besseres Verhalten zu erzielen. Außerdem wird bei den meisten Bauformen Bulk intern mit Source verbunden, da ein Potentialunterschied zwischen Source und Bulk die Eigenschaften des Transistors (vor allem die Schwellenspannung) negativ beeinflusst (body effect). Auf die grundlegende Funktion hat die Verbindung keinen Einfluss. Allerdings entsteht nun zusätzlich eine Diode zwischen Source- und Drain-Anschluss, die parallel zum eigentlichen Transistor liegt (Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den p-n-Übergang). Diese sogenannte Body-Diode ist als Pfeil im Schaltsymbol des MOSFETs dargestellt und zeigt beim n-Kanal-MOSFET vom Bulk-Anschluss zum Kanal. Bei der Anwendung ist die Body-Diode in der Regel in Sperrrichtung gepolt, bei manchen Schaltanwendungen kann sie jedoch genutzt werden, um Inversbetrieb zu verhindern.

siehe auch: Feldeffekttransistor.

Bauformen

Im Wesentlichen ist zwischen lateralen (also parallel zu der Oberfläche ausgerichteten) und vertikalen Bauformen zu unterscheiden. Während laterale Transistoren vorwiegend in der Nachrichtentechnik zum Einsatz kommen (LDMOS, lateral double-diffused MOSFET^[4]), findet sich die vertikale Bauform überwiegend in der Leistungselektronik wieder. Der Vorteil der vertikalen Struktur liegt in der höheren möglichen Sperrspannung der Bauelemente.

Kenndaten

Im folgenden wird der n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp behandelt. Alle Angaben gelten analog für die anderen MOSFET-Varianten.

Ausgangskennlinie

Die statische Kennlinie des MOSFETs teilt sich in drei Bereiche (mit Modellgleichung):

• Sperrbereich oder Sub-Schwellspannung

  U_GS − U_th < 0

  I_DS = 0

• Linear-, Trioden- oder Widerstandsbereich

  U_DS < U_GS − U_th

  $I_{DS} = \beta \cdot \left[ \left( U_{GS} - U_{th} \right) \cdot U_{DS} - \frac {{U_{DS}}^2}{2}\right]$

• Sättigungsbereich

  0 < U_GS − U_th < U_DS

  $I_{DS} = \frac {\beta}{2} \cdot \left( U_{GS} - U_{th} \right)^2$

Die Schwellspannung U_th stellt ein zentrales Element bei der Modellbetrachtung von MOSFETs dar und hängt stark von der Prozesstechnik ab. Beim Verarmungstyp spielt die Dotierung des Kanals eine wesentliche Rolle. U_th weist teils große Streuung von −50 bis zu +100 % auf.

Nur selten in Datenblättern zu finden ist der Verstärkungsfaktor β. Er lässt sich durch Wahl der Kanalbreite relativ frei wählen. Letztlich setzen nur die Steigerung der Gate-Kapazität und erhöhter Platzbedarf dem Grenzen.

$\beta = k_P \cdot \frac{W}{L}$

k_P := Prozesskonstante (vom Herstellungsprozess abhängig)

W := Kanalbreite (variable Größe)

L := Kanallänge (durch Strukturgröße vorgegeben)

Unter dem Begriff Kanallängenmodulation wird ein Effekt verstanden, dessen Auswirkungen dem Early-Effekt der Bipolartransistoren ähneln. Spürbare Auswirkungen zeigt die Kanallängenmodulation bei Strukturgrößen von L < 1 µm. In Näherung lässt sich diesem Effekt durch folgende Näherungsgleichung Rechnung tragen, wobei λ das Ausmaß charakterisiert:

$I_{DS} = I_{DS0} \left( 1- \lambda \cdot U_{DS} \right)$

Kurzkanaleffekte (engl.: short channel effekt) zeigt sich nur bei sehr kleinen Strukturgrößen.

Nur in wenigen Fällen tritt der Body-Effekt in den Fokus der Betrachtung. Hierbei handelt es sich um den Einfluss der Bulk-Spannung auf die Schwellspannung. Dabei ist die Bulk-Spannung meist an die Source-Spannung gekoppelt und somit ohne Einfluss.

Wesentlich Einfluss auf die Schaltzeiten besitzt die sogenannte Miller-Kapazität, welche zwischen der Gate-Elektrode zur Drain-Elektrode entsteht. Die dynamischen Parameter werden im Datenblatt gewöhnlich mit C_iss, C_oss angegeben.

Für weitere im Schalt-Betrieb relevante Daten siehe: Leistungs-MOSFET#Kenngrößen

Schaltbetrieb

Streukapazitäten von T1 und Gegentaktansteuerung

Beim Schalten eines MOSFETs wirken sich primär die Streukapazitäten innerhalb der Bauteils auf das zeitliche Verhalten aus. Für die Modell-Betrachtung des Schaltverhaltens dienen die Parameter C_GS, C_DS und C_DG (siehe Bild), wohingegen in Datenblätter C_iss, C_oss und C_rss angegeben wird. Das liegt daran, das letztere einfach messbare Größen darstellen. Nachfolgende Formeln ermöglichen die Umrechnung zwischen beiden Systemen.

$\begin{matrix} C_{iss} &amp;amp;amp; = &amp;amp;amp; C_{GS}+C_{GD}\\ C_{oss} &amp;amp;amp; = &amp;amp;amp; C_{GD}+C_{DS}\\ C_{rss} &amp;amp;amp; = &amp;amp;amp; C_{GD} \end{matrix}$ ^[5]

(Für die Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs empfiehlt sich wegen der „parasitären Kapazitäten“ immer eine Gegentakt-Ansteuerung.)

Der Einschaltvorgang teilt sich in drei Abschnitte auf (siehe auch Bild unten):

1. t₁ < t < t₂: Gate-Source-Kapazität aufladen (Totzeit)
2. t₂ < t < t₃: Millerkapazität entladen
3. t₃ < t < t₄: Gate-Source-Kapazität aufladen und voll durchschalten

Während der ersten Phase steuert der MOSFET noch nicht durch, denn zunächst muss die Gate-Source-Kapazität bis zum Erreichen der Schwellspannung aufgeladen werden. Ab dem Punkt t₂ beginnt die Drain-Source-Strecke durchzusteuern. Dabei muss der Treiber auch den Entladestrom für die Drain-Gate-Kapazität abführen. Hierbei stellt sich ein Gleichgewicht ein, denn je höher U_GS steigt, desto schneller fällt U_DS und damit U_DG, wodurch ein höherer Entladestrom fließt. Die Gate-Source-Spannung bildet zeitlich ein Plateau, weil die Drain-Gate-Spannung einem weiteren Anstieg entgegenarbeitet. Die Stärke dieses Effekt hängt folglich direkt mit der Höhe der Versorgungsspannung zusammen. Bei Brückenschaltungen verwendet man oft eine Bootstrap-Schaltung, um den notwendigen Mindestwert von U_GS sicherzustellen.

$I_\mathrm{G} \approx \frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t} \cdot C_\mathrm{DG}$ für t < ₂ < t < t₃

Die letzte Phase sorgt für das vollständige Durchschalten des Transistors, damit ein minimaler R_DSon erreicht wird. Hierdurch verringern sich die ohmschen Verluste, und ein hohes On/Off-Verhältnis, sprich hoher Wirkungsgrad, wird erzielt.

Spannungsverläufe am MOSFET im Schaltbetrieb qualitativ

Der Ausschaltvorgang verläuft umgekehrt, jedoch sind die Zeiten nicht identisch.

Das gezeigte Modell stellt eine starke Vereinfachung dar und dient dem grundlegenden Verständnis für das Schaltverhalten eines MOSFETs, was für viele Anwendungen auch hinreichend ist. Für detaillierte Betrachtungen muss die Spannungsabhängigkeit der Kapazitäten herangezogen werden^[6] sowie die Auswirkung weiterer „parasitärer Bauelemente“. Statt der Gate-Source-Kapazität wird die Gate-Ladung Q_G betrachtet.

Vor- und Nachteile

Ein prinzipieller Nachteil der MOSFET-Technik ist die geringe Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal. Elektronen besitzen dabei eine höhere Beweglichkeit als Defektelektronen, daher haben n-Kanal-MOSFET geringfügig bessere Eigenschaften als p-Kanal-Typen. Durch die Verkleinerung der Bauelementstrukturen lässt sich dieser Nachteil jedoch ausgleichen, und die Schaltgeschwindigkeit erhöht sich. Dadurch gelingt es einerseits, schnellere Einzeltransistoren herzustellen, andererseits lassen sich durch feine Wabenstrukturen auch schnelle MOSFET für große Ströme herstellen. Durch Skalierung in den Submikrometerbereich wird der MOSFET für integrierte digitale Anwendungen mit Taktfrequenzen oberhalb von 1 GHz verwendbar. MOSFET sind wegen ihres einfachen Herstellungsprozesses (CMOS-Prozess) und der lateralen Struktur besonders für integrierte Schaltungen geeignet.

Da bei IGFETs im Gegensatz zum Bipolartransistoren die Steuerung nicht über einen Stromfluss (Basisstrom), sondern über eine Steuerspannung erfolgt, werden sie fälschlicherweise als „stromlos“ bezeichnet. Im statischen Betrieb, d. h., die Gate-Spannung bleibt konstant, fließt über das Gate kaum bis theoretisch kein Strom. Allerdings ist zur Umladung der Gate-Kapazität ein teilweise erheblicher Lade- und Entladestrom notwendig − in der Leistungselektronik bis über 10 A. Diese Ströme verursachen zusammen mit Gate-Leckströmen, die bei heutigen Mikroprozessoren nicht mehr vernachlässigbar sind, die hohe Leistungsaufnahme moderner integrierter Schaltkreise.

In Leistungsanwendungen ist der sogenannte Leistungs-MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten und geringer Schaltverluste den Bipolartransistoren und IGBTs überlegen. Er erreicht jedoch nicht deren hohe Sperrspannungen. Gegenüber bipolarer Technik besitzt die Drain-Source-Strecke des MOSFET eine reine Widerstandscharakteristik, die den statischen Spannungsabfall und die statische Verlustleistung im Betrieb bestimmt. Erst dadurch werden die hohen Wirkungsgrade von leistungselektronischen Schaltungen besonders bei niedrigen Spannungen und Batteriebetrieb möglich (vgl. Synchrongleichrichter).

Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren besitzt der Kanalwiderstand der Drain-Source-Strecke des MOSFET einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, dass bei steigender Temperatur auch der Widerstand steigt. Dadurch kann man in einigen Anwendungen mehrere MOSFETs ohne zusätzliche symmetrierende Maßnahmen parallelschalten, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen und den Spannungsabfall zu verringern. Sobald einer der MOSFETs durch zu viel Strom zu heiß wird, steigt sein Widerstand. Dadurch teilt sich die Strombelastung der MOSFETs gleichmäßig auf.

Leistungs-MOSFETs auf Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 800 V und Strömen von bis zu mehreren 100 A eingesetzt. Einsatzgebiete sind u. a. Schaltnetzteile, Synchrongleichrichter, getaktete Strom- und Spannungsregler und auch starke Hochfrequenzsender bis in den UKW-Bereich. In Sonderanwendungen werden Schaltzeiten von nur einigen Nanosekunden bei Spannungen von mehreren Kilovolt durch Reihenschaltung realisiert.

Leckströme

Bei den Leckströmen handelt es sich um unerwünschte Stromflüsse innerhalb der Transistoren. Diese treten sowohl im gesperrten als auch im leitenden Zustand des Transistors auf. Momentan (Stand 2008) sind hierbei vor allem der Subthreshold-Leakage (frei übersetzt: Unterschwellspannungsleckstrom), Junction-Leakage als auch der Gate-Oxid-Leckstrom dominierend.

In aktuellen CMOS-Techniken mit Gatelängen von weniger als 100 nm stellen die Leckströme eines der Hauptprobleme im Chipentwurf dar^[7]. Studien^[8][9] sagen voraus, dass in aktuellen und zukünftigen Prozessoren die Leckströme bis zur Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs verursachen.

Name

Derzeit (2008) werden bei handelsüblichen CMOS-Schaltkreisen noch Polysilizium (Gate-Material) und Siliziumdioxid (Isolator zwischen dem Gate und dem Kanal) eingesetzt. Da kein Metall verwendet wird, ist die Bezeichnung MOSFET nicht mehr korrekt. Sie ist eher historisch entstanden – Die Bezeichnung stammt eigentlich aus der Zeit (bis Anfang der 1980er), als Aluminium (ein Metall) als Gate-Material verwendet wurde – und wird immer noch synonym verwendet.

In der Halbleitertechnik gibt es allerdings derzeit Bestrebungen, das Polysilizium gegen andere Materialien wie Übergangsmetalle auszutauschen. Außerdem werden wahrscheinlich in zukünftigen integrierten Schaltkreisen zunehmend sogenannte High-k-Materialien anstelle von Siliziumdioxid als Gate-Dielektrikum eingesetzt. Damit würde in einigen Fällen die Bezeichnung MOSFET wieder vollkommen richtig sein, dennoch ist es oft günstiger, die neutrale Bezeichnung MISFET (Metall-Nichtleiter-Halbleiter-FET) oder ganz allgemein IGFET (FET mit isoliertem Gate) zu verwenden.

Siehe auch

• RADFET
• FREDFET
• Geschwindigkeitssättigung

Weblinks

• Java-Applet zum NMOS
• ELektronik-KOmpendium - MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET)

Literatur

• Hans-Joachim Fischer, Wolgang E. Schlegel: Transistor- und Schaltkreistechnik. 4. Auflage. Militärverlag der DDR, Berlin 1988. 
• Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer: Silizium-Planartechnologie. Grundprozesse, Physik und Bauelemente. Teubner, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden 2003, ISBN 3-519-00467-4. 

Einzelnachweise

1. ↑ U.S. Patent 1,745,175 - J. E. Lilienfeld: „Method and Apparatus For Controlling Electric Currents.“
2. ↑ D. Hisamoto, W. C. Lee, J. Kedzierski, H. Takeuchi, K. Asano, C. Kuo, E. Anderson, T. J. King, J. Bokor, C. Hu: FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm. In: Electron Devices, IEEE Transactions on. 47, Nr. 12, 2000, S. 2320-2325 (doi:10.1109/16.887014) (PDF). 
3. ↑ E. J. Nowak, I. Ludwig, T. Kim, K. Joshi, RVCTC Bernstein, K. Puri, R. M. Div, EJ IBM: Turning silicon on its edge - double gate CMOS/FinFET technology. In: Circuits and Devices Magazine, IEEE. 20, Nr. 1, 2004, S. 20-31 (doi:10.1109/MCD.2004.1263404). 
4. ↑ Microwave Encyclopedia, Micorowaves101.com: LDMOS, abgerufen am 29. Nov. 2008
5. ↑ elektroniknet.de: Nicht nur Verluste minimiert, Carl Walding, abgerufen am 20. September 2008
6. ↑ Martin Stiftinger: Simulation und Modellierung von Hochvolt-DMOS-Transistoren. Dissertation, TU Wien, 1994 (
7. ↑ Gordon Moore: No Exponential is Forever … but We Can Delay ’Forever’. International Solid State Circuits Conference (ISSCC), USA, 2003
8. ↑ Y. S. Borkar: VLSI Design Challenges for Gigascale Integration. '18th Conference on VLSI Design, Kolkata, India, 2005
9. ↑ ITRS – International technology roadmap for semiconductors 2006 Update.Technischer Report, 2006