N-Kanal MOSFETs

N-Kanal-MOSFET Typen

N-Kanal-MOSFET

Ein N-Kanal-MOSFET lässt sich grob mit einem npn-Transistor vergleichen, wenn man das Gate (G) als Basis, Drain (D) als Kollektor und Source (S) als Emitter betrachtet. Der interne Widerstand der Drain-Source-Strecke wird mit der Spannung am Gate gesteuert.  Ist die Spannung am Gate identisch mit der Spannung am Source, dann sperrt der Transistor. Zwischen Drain und Source kann (abgesehen von einem Leckstrom von einigen Mikroampere) kein Strom fließen. ++HINWEIS++ Eine Spannung von 0V am Gate bedeutet in der Praxis, dass Gate und Source galvanisch verbunden sind. Man kann nicht einfach in die Gate-Leitung einen Schalter einbauen, diesen dann öffnen, und glauben, dass da 0V am Gate anliegen. Vielmehr wäre das Gate dann vom Rest der Schaltung isoliert und würde weiterhin die alte Ladung tragen. Wer solchen Problemen aus dem Wege gehen will, der sollte zwischen Gate und Source einen hochohmigen Widerstand (einige 10 kOhm) einsetzen. Der entlädt dann bei "offenem Schalter" das Gate auf 0-V-Pegel.

Legt man am Gate aber eine Spannung an, die 10 Volt höher ist als die Spannung am Source, dann leitet der Transistor, Drain und Source sind  nun verbunden.  Auf der obersten Abbildung auf dieser Seite kann man erkennen, dass die Drain-Source-Strecke des MOSFET mit einer Diode überbrückt ist. Dabei handelt es sich um eine Schutzdiode, durch die es aber unmöglich ist, die Polarität der Spannung an Drain und Source zu vertauschen. Im normalen Betrieb liegt Drain immer an der positiveren Spannung (im Vergleich zu Source).

MOSFETs werden für verschiedene Anwendungen entworfen, und haben dementsprechend gänzlich andere technische Parameter. Der Schalttransistor in einem Netzteil muss eine Spannung von mehr als 400V aushalten, hat es aber nur mit Strömen im einstelligen Ampere-Bereich zu tun.

Die Power-MOSFETs mit denen ich mich meistens beschäftige, sind dagegen auf höchste Ströme optimiert. Um 100A von Drain nach Source fließen zu lassen, ist es nötig, den Drain-Source-Widerstand so klein wie möglich zu machen. Werte unter 10 Milliohm sind heute typisch. Erreicht wird das dadurch, dass der MOSFET in Wirklichkeit aus einigen tausend kleinen MOSFETS besteht, die alle gemeinsam auf einem Chip sitzen und parallel geschaltet sind. So kleine Strukturen sind allerdings nicht sehr spannungsfest. Die maximale Drain-Source-Spannung beträgt je nach Typ 30V bis 60V.
 

Während in einem npn-Transistor der Kollektor-Emitter-Strom mit dem Basisstrom gesteuert wird, wird in einem N-Kanal-MOSFET der Drain-Source-Widerstand mit der Gatespannung gesteuert. Das nebenstehende Diagramm zeigt den Drain-Source-Stromfluss eines SUP75N06-08 bei maximaler Drain-Source-Spannung und steigender Gate-Source-Spannung. Bis zu einer Gate-Spannung von 3V sperrt der FET komplett, danach wird er mit steigender Spannung immer besser leitend. Bei einer Gate-Spannung von 10V beträgt sein Innenwiderstand nur noch etwa 7 Milliohm.

Nachteilig erscheint zunächst die hohe Ansteuerspannung von ca. 10V, es gibt aber spezielle Logic-Level-MOSFETS (LL), die schon bei einer Gate-Spannung von etwa 4..4,5V leitend sind. Solche FETs lassen sich also direkt mit TTL-Pegeln ansteuern.  Nebenstehendes Diagramm zeigt den Drain-Source-Stromfluss eines SUP75N06-07L bei maximaler Drain-Source-Spannung und steigender Gate-Source-Spannung.  Bis zu einer Gate-Spannung von 2V sperrt der FET komplett, danach wird er mit steigender Spannung immer besser leitend. Bei einer Gate-Spannung von 4,5V beträgt sein Innenwiderstand nur noch etwa 7 Milliohm. Bei 10V sinkt er auf 6 Milliohm. Solche LL-FETs haben in der Regel eine geringere Spannungsfestigkeit, für Spannungen zwischen D und S. Viele LL-Typen vertragen nicht mehr als 30V.

Nachfolgend sind einige Typen aufgelistet, die auch für Bastler erhältlich sind. Der Großvater BUZ11 kennzeichnet das untere Ende der Power-FETs. Moderne Typen haben weitaus bessere Kennwerte. Die Liste kann natürlich nur einige Typen beispielhaft auflisten.

• Die 'von-bis'-Angaben der Innenwiderstände bei LL-Typen kennzeichnet den Innenwiderstrand bei TTL-High-Pegel (4..5V je nach Typ) sowie bei 10V Gate-Spannung.
  
 
• Der Innenwiderstand ist für eine Temperatur von 25°C angegeben. Mit der Temperatur des Transistors steigt aber auch sein Innenwiderstand. Beim Erreichen der maximalen Betriebstemperatur hat sich der Innenwiderstand in etwa verdoppelt.
  
 
• Es gibt viele Typen auch in SMD-Gehäusen (TO-263), ich bevorzuge aber TO-220-Gehäuse, da sie sich viel besser kühlen lassen. Ohne Kühlung vertragen auch die besten Typen weniger als 4 W.
 
• Bei den IRL-Typen habe ich zwei D-S-Strom-Werte angegeben. Der Wert in Klammern ist der vom Hersteller für den Halbleiter angegebene Wert. Der Wert vor der Klammer ist der maximale Dauerstrom, den das TO-220-Gehäuse verträgt. Die 75A sind also die reale Dauerstromgrenze.
  
 
• Tr+Tf ist ein Kennzeichen für die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET

Autor: sprut
erstellt: 07.07.2003
bearbeitet:16.12.2009