Feldeffekttransistor (MOSFET)

Stell dir einen Wasserhahn vor, der mit einem dünnen Steuerdraht aufgedreht wird, ohne dass durch den Draht selbst Wasser fließt. Genau das macht ein MOSFET: Eine kleine Spannung am Steuereingang öffnet oder schließt einen kräftigen Hauptstrompfad — und der Steuereingang selbst zieht praktisch keinen Strom.

Der Name verrät den Aufbau: MOSFET steht für Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor — also Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Das Steuersignal wirkt über ein elektrisches Feld, das durch eine isolierende Oxidschicht hindurch in den Halbleiter greift. Daher der Name „Feldeffekttransistor“.

Der entscheidende Unterschied zum Bipolartransistor: Der Bipolartransistor ist stromgesteuert — am Basisanschluss muss permanent ein Basisstrom fließen, damit er leitet. Der MOSFET ist spannungsgesteuert — eine Spannung am Gate genügt, der Steueranschluss ist durch die Oxidschicht isoliert. Für die Ansteuerlogik bedeutet das: weniger Verlustleistung, einfachere Treiberschaltungen, schnelleres Schaltverhalten.

Wo MOSFETs heute überall stecken:

• in Wechselrichtern für Photovoltaik-Anlagen
• in Schaltnetzteilen vom Handy-Ladegerät bis zum Server-Netzteil
• in Frequenzumrichtern für Drehstrommotoren
• in Motorsteuerungen für E-Autos und E-Bikes
• als Logikbausteine in CPUs und Mikrocontrollern — milliardenfach pro Chip

Ein MOSFET hat vier Anschlüsse, auch wenn er meist nur mit drei nach außen geführt wird:

• Gate (G) — der Steuereingang, durch die Oxidschicht isoliert
• Drain (D) — der „Abfluss“, an dem der Hauptstrom austritt
• Source (S) — die „Quelle“, an der der Hauptstrom einspeist
• Bulk (B) oder Substrat — der Trägerkörper, meist intern mit Source verbunden

Im Querschnitt sieht ein n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET so aus:

Wichtig: Zwischen Gate und dem darunter liegenden Halbleiter sitzt eine dünne Oxidschicht aus Siliziumdioxid. Das ist ein hervorragender Isolator. Genau deshalb fließt am Gate im stationären Zustand kein Strom — das Gate „spürt“ den Halbleiter nur über das elektrische Feld.

n-Kanal- vs p-Kanal-MOSFET:

Bei einem n-Kanal-MOSFET sind Source und Drain stark n-dotiert (n⁺), das Substrat ist p-dotiert. Der entstehende Kanal leitet über Elektronen. Diese Bauart ist heute Standard bei Leistungs-MOSFETs, weil Elektronen beweglicher sind als Löcher — der Bauteil wird dadurch leistungsfähiger.

Beim p-Kanal-MOSFET ist alles umgekehrt: Source und Drain p⁺-dotiert, Substrat n-dotiert. Der Kanal leitet über Löcher. p-Kanal-Typen kommen vor allem ergänzend zum n-Kanal vor, etwa in CMOS-Logikschaltungen.

Schaltzeichen nach ÖNORM EN IEC 60617:

In österreichischen und europäischen Schaltplänen werden MOSFETs nach IEC 60617 gezeichnet. Es gibt vier Grundtypen:

Die zwei Merkmale, an denen du jeden MOSFET-Typ erkennst:

In der Praxis triffst du fast immer auf den n-Kanal-Anreicherungstyp — er ist der Arbeiter unter den MOSFETs.

Nimm einen n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET. Im Ruhezustand — ohne Spannung am Gate — gibt es zwischen Drain und Source keinen leitfähigen Kanal. Zwischen den beiden n⁺-Gebieten liegt durchgehend p-dotiertes Substrat. Der MOSFET sperrt.

Legst du nun eine positive Spannung U_GS zwischen Gate und Source an, baut sich im Gate ein positives Potenzial auf. Das elektrische Feld durchdringt die Oxidschicht und drückt die positiven Löcher im p-Substrat unter dem Gate nach unten weg. Gleichzeitig zieht es freie Elektronen zur Oberfläche.

Sobald U_GS einen bestimmten Wert überschreitet — die Schwellspannung U_GS(th) — sammeln sich genug Elektronen direkt unter der Oxidschicht, dass dort ein dünner n-leitender Bereich entsteht. Dieser nennt sich Inversionskanal, weil das ursprünglich p-leitende Material lokal zu n-leitendem Material „umgekippt“ ist. Jetzt kann Strom zwischen Drain und Source fließen.

Typische Werte für U_GS(th) liegen bei Logik-Level-MOSFETs bei rund 1 bis 2 V, bei Standard-Power-MOSFETs bei 2 bis 4 V.

Anreicherungstyp vs Verarmungstyp:

Der bisher beschriebene MOSFET ist der Anreicherungstyp — der Kanal muss erst durch die Gate-Spannung „angereichert“ werden. Ohne Steuerspannung ist er gesperrt.

Beim Verarmungstyp ist es umgekehrt: Hier ist beim Herstellungsprozess bereits ein dünner leitender Kanal eingebaut. Ohne Steuerspannung leitet der MOSFET. Erst eine Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen schnürt den Kanal aus — der Kanal wird an Ladungsträgern „verarmt“.

In der Leistungselektronik findest du fast ausschließlich Anreicherungstypen. Der Grund liegt in der Sicherheit: Ein selbstsperrender MOSFET ist im stromlosen Zustand der Steuerelektronik aus — fällt die Ansteuerung aus, schaltet die Last ab.

Das Verhalten eines MOSFETs liest man am besten an seinen Kennlinien ab. Es gibt zwei wichtige:

Übertragungskennlinie I_D(U_GS): Bei fester Drain-Source-Spannung wird gezeigt, wie der Drain-Strom mit steigender Gate-Spannung wächst. Unterhalb von U_GS(th) bleibt I_D praktisch null. Über der Schwelle wächst I_D quadratisch.

Ausgangskennlinienfeld I_D(U_DS): Für mehrere feste Werte von U_GS wird gezeigt, wie sich I_D mit U_DS ändert. Daraus ergeben sich drei Bereiche:

• Sperrbereich — U_GS < U_GS(th), I_D ≈ 0
• Triodenbereich (auch ohmscher oder linearer Bereich) — U_DS < U_GS − U_GS(th). Der Kanal ist durchgehend leitfähig, der MOSFET verhält sich näherungsweise wie ein steuerbarer Widerstand. Der Strom steigt mit U_DS.
• Sättigungsbereich (auch Abschnürbereich) — U_DS ≥ U_GS − U_GS(th). Am Drain-Ende schnürt der Kanal ab, der Strom hängt nur noch von U_GS ab — fast konstant über U_DS.

Im Sättigungsbereich gilt für den Drain-Strom näherungsweise:

Der Parameter k (Verstärkungs-Faktor, auch Transkonduktanz-Parameter genannt) wird durch die Geometrie des Bauteils und das Material bestimmt. Typische Kleinsignal-MOSFETs haben k zwischen 0,1 und 1 mA/V², Leistungs-MOSFETs deutlich darüber.

Im Triodenbereich gilt eine andere Formel:

Für die meisten praktischen Berechnungen — Verstärker-Auslegung, Sättigungs-Arbeitspunkt — reicht die Sättigungs-Gleichung.

Hinweis: Die Formel gilt nur, solange U_GS > U_GS_th ist und der MOSFET im Sättigungsbereich arbeitet — also U_DS ≥ U_GS − U_GS_th. Wenn U_GS unter der Schwelle liegt, ist der MOSFET real gesperrt und I_D ≈ 0.

In der Leistungselektronik ist das die wichtigste Betriebsart. Idee: Der MOSFET hat genau zwei Zustände — voll eingeschaltet oder voll ausgeschaltet. Zwischen beiden wird umgeschaltet, eine sinnvolle Pulsweitenmodulation steuert den effektiven Mittelwert von Strom oder Spannung an der Last.

EIN-Zustand: U_GS wird deutlich über U_GS(th) gesetzt, üblich sind 10 bis 15 V bei Standard-MOSFETs, 5 bis 6 V bei Logic-Level-Typen. Der Kanal ist voll ausgebildet, der MOSFET arbeitet im Triodenbereich nahe U_DS = 0. Er verhält sich wie ein kleiner Widerstand zwischen Drain und Source.

AUS-Zustand: U_GS = 0 (oder negativ). Der Kanal ist nicht vorhanden, der MOSFET sperrt. Es fließt nur ein vernachlässigbarer Reststrom.

R_DS(on) — der Schlüsselwert

Der Widerstand zwischen Drain und Source im voll eingeschalteten Zustand heißt R_DS(on). Er ist die wichtigste Auswahlkenngröße für einen Leistungs-MOSFET. Typische Werte:

• Kleine Logik-MOSFETs: einige hundert mΩ
• Power-MOSFETs für Motorsteuerungen: 1 bis 50 mΩ
• Hochstrom-Typen für Wechselrichter: unter 1 mΩ

Aus R_DS(on) folgen die Leitverluste direkt:

Ein Beispiel: 10 A Drain-Strom durch einen MOSFET mit R_DS(on) = 20 mΩ erzeugen 10² · 0,02 = 2 W Leitverluste. Bei 50 mΩ wären es schon 5 W — der MOSFET müsste deutlich besser gekühlt werden.

Gate-Ladung und parasitäre Kapazitäten

Solange der MOSFET ruhig leitet, ist der Steuereingang fast leistungslos. Beim Umschalten sieht die Sache anders aus. Die Gate-Elektrode bildet mit dem darunter liegenden Halbleiter und mit dem Drain-Bereich winzige Kondensatoren:

• C_GS — Kapazität zwischen Gate und Source
• C_GD — Kapazität zwischen Gate und Drain (auch Miller-Kapazität genannt)

Um den MOSFET einzuschalten, müssen diese Kapazitäten auf die Gate-Spannung aufgeladen werden. Um ihn auszuschalten, müssen sie wieder entladen werden. Die dafür benötigte Ladung wird im Datenblatt als Gate-Ladung Q_G angegeben — typische Werte liegen zwischen einigen nC bei kleinen Typen und über 100 nC bei kräftigen Power-MOSFETs.

Während des Umschaltens fließt durch das Gate kurzzeitig ein Ladestrom, und gleichzeitig ist der MOSFET in einem teilleitenden Zwischenzustand — über ihm liegt eine Spannung und durch ihn fließt ein Strom. Das ergibt Schaltverluste, die mit steigender Schaltfrequenz proportional wachsen.

In der Praxis bedeutet das:

• Je schneller umgeschaltet wird, desto kürzer der verlustreiche Übergangsbereich, aber desto höher der Spitzenstrom durchs Gate.
• Ein MOSFET mit großer Gate-Ladung braucht einen Treiber, der den nötigen Ladestrom liefern kann — typische Gate-Treiber liefern 1 bis mehrere Ampere kurzzeitig.
• Ein Mikrocontroller-Pin schafft das nicht. Mehr dazu in Kapitel 7.

Body-Diode — die eingebaute Diode

Konstruktionsbedingt enthält jeder MOSFET zwischen Drain und Source eine Body-Diode. Beim n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET is diese Diode in normaler Betriebsrichtung gesperrt. Schaltet man eine induktive Last (Motor, Spule) ab, ermöglicht die Body-Diode aber bei umgekehrter Polarität einen Stromfluss — sie wirkt als Freilaufdiode. In Brückenschaltungen (zum Beispiel beim Frequenzumrichter) wird dieser Effekt aktiv genutzt; in Schaltern mit Wechselspannungslast muss man die Body-Diode dagegen beachten, weil ein MOSFET in dieser Richtung gar nicht sperren kann.

Neben dem Schalterbetrieb lässt sich der MOSFET auch als analoger Verstärker einsetzen — analog zum Bipolartransistor in Emitterschaltung. In der Leistungselektronik kommt das selten vor, in der Audio- und Messtechnik dagegen regelmäßig.

Der Arbeitspunkt wird so gewählt, dass der MOSFET im Sättigungsbereich liegt — also U_DS ≥ U_GS − U_GS(th). Dort verhält er sich näherungsweise wie eine durch U_GS gesteuerte Stromquelle. Eine kleine Änderung von U_GS bewirkt eine größere Änderung von I_D, und über einen Drain-Widerstand entsteht daraus eine verstärkte Ausgangsspannung.

Die wichtigste Verstärkergrundschaltung heißt Source-Schaltung — Source liegt auf Bezugspotenzial, das Eingangssignal wird am Gate eingespeist, der Ausgang liegt am Drain. Sie entspricht der Emitterschaltung beim Bipolartransistor.

Das Maß für die Verstärkungswirkung ist die Steilheit g_m: Sie sagt, um wie viel sich der Drain-Strom ändert, wenn U_GS um 1 V steigt.

Je höher der Arbeitspunkt-Strom, desto höher die Steilheit — der MOSFET wird im Großstrombetrieb empfindlicher auf Spannungsänderungen am Gate.

Die Source-Schaltung ist invertierend — das heißt: Eingangs- und Ausgangssignal sind um 180° phasenverschoben. Der Grund liegt im Vorzeichen der Ausgangsspannung: Steigt das Eingangssignal U_GS, steigt I_D entsprechend an. Der größere Drain-Strom fließt durch den Drain-Widerstand R_D und erzeugt dort einen größeren Spannungsabfall. Da die Versorgungsspannung U_B fest ist, sinkt die Drain-Spannung U_DS — also die Ausgangsspannung. Vereinfacht gilt für die Spannungsverstärkung der Source-Schaltung:

Das Minuszeichen ist die mathematische Form der Phasendrehung um 180° — genau wie bei der Emitterschaltung des Bipolartransistors.

Die Gate-Oxidschicht ist nur wenige Atomlagen dick — und das ist ihre Stärke und ihr Risiko zugleich. Hier kommt zusammen, was du beim Hantieren und Ansteuern wissen musst.

ESD — der unsichtbare Feind

Die Gate-Oxidschicht hält elektrische Felder bis typischerweise 10⁸ V/m aus. Bei wenigen Nanometern Dicke ergibt das nur 20 V bis 30 V maximale Gate-Source-Spannung. Eine elektrostatische Entladung aus dem menschlichen Körper (ein paar tausend Volt durch Reibung an Kleidung oder Teppich) durchschlägt die Schicht in Bruchteilen einer Sekunde.

Folge: Der MOSFET ist defekt — oft nicht sofort sichtbar, sondern als Verkürzung der Lebensdauer oder als Frühausfall im Betrieb.

Schutzmaßnahmen beim Hantieren:

• ESD-Armband mit Verbindung zur Erdungsleitung tragen
• Antistatische Arbeitsunterlage verwenden
• Bauteile in ESD-Schutzverpackung (leitfähige Folie, schwarze antistatische Schaumstoffe) belassen, bis sie verlötet werden
• Beim Auspacken zuerst das Gehäuse berühren, dann das Gate kurz auf Source-Potenzial bringen, dann erst Spannung anlegen
• Lötkolben mit geerdeter Spitze verwenden

Viele moderne Power-MOSFETs haben Gate-Schutzdioden intern eingebaut — das reduziert das Risiko, ersetzt aber gutes Handling nicht.

Maximale U_GS — das harte Limit

Im Datenblatt findest du U_GS_max als absoluten Grenzwert. Typische Werte:

• Standard-Power-MOSFETs: ±20 V
• Logic-Level-MOSFETs: ±12 V bis ±20 V

Wird dieser Wert überschritten — auch nur kurz — ist die Oxidschicht defekt. Anders als beim Bipolartransistor gibt es hier keine zweite Chance.

Gate-Treiber und Gate-Vorwiderstand

Ein Gate-Treiber-IC liefert die hohen kurzzeitigen Lade- und Entladeströme, die ein Mikrocontroller-Pin nicht aufbringen kann. Typische Bausteine liefern 1 bis 10 A Peak-Strom auf kurze Pulse und sorgen so für saubere, schnelle Schaltflanken.

Zwischen Gate-Treiber-Ausgang und MOSFET-Gate sitzt fast immer ein Gate-Vorwiderstand (typisch 5 bis 50 Ω). Er begrenzt den Spitzenstrom, dämpft Schwingungen zwischen Gate-Induktivität und Gate-Kapazität und ermöglicht es, die Schaltgeschwindigkeit gezielt einzustellen. Kleiner Vorwiderstand → schnelles Schalten, mehr EMV-Probleme. Größerer Vorwiderstand → langsameres Schalten, mehr Schaltverluste, aber ruhiger.