Die Betriebsarten des MOSFET
Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist ein fundamentales Bauelement in der modernen Elektronik, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, von digitalen Schaltungen über Analogverstärker bis hin zu Hochleistungsschaltkreisen.
Der MOSFET funktioniert als spannungsgesteuertes Gerät und hat verschiedene Betriebsarten, die stark von den Spannungen abhängen, die an seinen drei Hauptanschlüssen – Quelle (S), Gate (G) und Drain (D) – anliegen. Die wichtigsten Betriebsarten des MOSFETs sind der Cutoff-Modus, der Trioden- oder lineare Modus, der Sättigungsmodus und der Subthreshold-Modus (Schwellenbereich). Jede dieser Betriebsarten hat ihre eigenen spezifischen Eigenschaften und Anwendungen.
Cutoff-Modus
Der Cutoff-Modus tritt auf, wenn die Spannung zwischen Gate und Source (V_GS) unterhalb des Schwellenspannungswertes (V_th) liegt. In diesem Fall verhält sich der MOSFET wie ein offener Schalter. Das bedeutet, dass der Stromfluss zwischen Drain und Source (I_D) gleich null ist (I_D = 0). Der Transistor ist inaktiv und es fließt keine elektrische Leistung, was für digitale Schaltungen entscheidend ist, wenn der Transistor als Schalter arbeitet. In diesem Zustand liegt der MOSFET in seinem „Aus“-Zustand und es findet keine Stromdurchleitung statt. Diese Betriebsart wird häufig in digitalen Schaltungen verwendet, wo der MOSFET als Schalter ein- oder ausgeschaltet wird.
Trioden-Modus (Linearer Modus)
Der Trioden-Modus, auch als linearer Modus bekannt, tritt auf, wenn die Spannung V_GS größer als die Schwellenspannung V_th ist und die Drain-Source-Spannung (V_DS) klein genug ist, so dass V_DS < V_GS – V_th. In diesem Modus verhält sich der MOSFET wie eine variable Widerstandseinheit. Die Strommenge zwischen Drain und Source wird sowohl durch die Spannung V_GS als auch durch die Spannung V_DS bestimmt. Der Transistor arbeitet in diesem Modus als Verstärker mit einer fast linearen Beziehung zwischen V_DS und I_D. Dieser Modus wird häufig in analogen Verstärkerschaltungen eingesetzt, bei denen der MOSFET als Verstärker fungiert, um schwache Signale zu verstärken.
Die Stromgleichung für den Trioden-Modus lautet:
I_D = K[(V_GS - V_th) * V_DS - (V_DS^2)/2]
Hierbei ist K eine Konstante, die von den spezifischen Eigenschaften des MOSFET abhängt, wie der Elektronenbeweglichkeit und den Geometrieparametern des Kanals.
Sättigungsmodus
Der Sättigungsmodus, auch als aktiver Modus bezeichnet, ist der Modus, in dem der MOSFET typischerweise für die meisten Schalt- und Verstärkanwendungen arbeitet. In diesem Modus ist die Spannung V_GS deutlich größer als die Schwellenspannung (V_th), und die Spannung V_DS ist größer als der Unterschied zwischen V_GS und V_th (V_DS > V_GS – V_th). Der MOSFET befindet sich in einem vollständig „eingeschalteten“ Zustand, wobei der Strom zwischen Drain und Source nahezu konstant bleibt, unabhängig von weiteren Erhöhungen der Drain-Source-Spannung. Der Transistor verstärkt in diesem Modus die Eingangsströme und funktioniert als Verstärker, der die Eingangsleistung steuert, um die Ausgangsleistung zu erhöhen. In digitalen Schaltungen wird dieser Modus auch genutzt, um schnelle Schaltvorgänge zu ermöglichen.
Die Stromformel im Sättigungsmodus lautet:
I_D = (K/2) * (V_GS - V_th)^2
Dieser Zusammenhang zeigt, dass der Drainstrom quadratisch von der Differenz zwischen V_GS und V_th abhängt, was für Anwendungen in der digitalen Schaltungstechnik und Hochgeschwindigkeitsverstärkern von entscheidender Bedeutung ist. Im Sättigungsmodus verhält sich der MOSFET wie eine konstante Stromquelle, die unabhängig von der Drain-Source-Spannung eine stabile Leistung liefert.
Subthreshold-Modus (Sub-umbral Modus)
Der Subthreshold-Modus tritt auf, wenn V_GS unterhalb der Schwellenspannung V_th liegt, jedoch immer noch ein kleiner Strom fließt, der exponentiell mit V_GS variiert. In diesem Modus ist der MOSFET nicht vollständig „ausgeschaltet“, sondern führt immer noch eine geringe Ströme durch den Kanal, die durch thermisch erzeugte Elektronen und Löcher bedingt sind. Die Ströme im Subthreshold-Bereich sind sehr klein und werden durch die Thermalisierung von Ladungsträgern im Kanal verursacht.
Diese Betriebsart wird vor allem in Geräten verwendet, die extrem niedrige Leistungsaufnahme erfordern, wie zum Beispiel in modernen Mobilgeräten oder in Low-Power-Designs, bei denen die Effizienz der Energieübertragung und Minimierung der Verlustleistung von entscheidender Bedeutung sind.
Die Ströme im Subthreshold-Modus folgen einer exponentiellen Beziehung:
I_D = I_D0 * exp((V_GS - V_th) / nV_T)
Hierbei ist I_D0 der Strom bei V_GS = V_th, V_T die thermische Spannung und n der Subthreshold-Schwellenfaktor, der den exponentiellen Stromanstieg beschreibt. Der Subthreshold-Modus ist besonders nützlich in Schaltungen mit extrem niedriger Leistungsaufnahme.
Körpereffekt (Body Effect)
Ein zusätzlicher Faktor, der den Betrieb des MOSFET beeinflussen kann, ist der Körpereffekt (auch als Rückwirkung des Substrats bekannt), der auftritt, wenn eine Spannung zwischen dem Körper (Substrat) und der Quelle des MOSFET angelegt wird. Dieser Effekt führt zu einer Erhöhung der Schwellenspannung (V_th), was den Stromfluss im Kanal reduziert und den Transistor weniger leitfähig macht. Der Körpereffekt wird in Schaltungen berücksichtigt, in denen das Substrat vom Kanal getrennt ist, insbesondere in modernen CMOS-Bauelementen, die auf isolierten Substraten arbeiten. Die Körperspannung beeinflusst daher die Gesamtleistung des MOSFET, indem sie die Effizienz der Schaltung verringert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der MOSFET in verschiedenen Betriebsarten arbeitet, je nachdem, wie die Spannungen an seinen Anschlüssen konfiguriert sind. Jede Betriebsart hat ihre eigenen spezifischen Eigenschaften, die in verschiedenen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind.
Der Cutoff-Modus ist für das „Ausschalten“ des Transistors verantwortlich, der Trioden-Modus wird in analogen Verstärkerschaltungen eingesetzt, der Sättigungsmodus ist der bevorzugte Modus für digitale Schaltungen und Verstärker, während der Subthreshold-Modus in Niedrigenergieanwendungen Verwendung findet. Ein gutes Verständnis dieser Betriebsarten ist unerlässlich, um MOSFETs in Schaltungen effizient und gemäß den Anforderungen des jeweiligen Systems einzusetzen.