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Ein Leistungs-MOSFET (engl. Power MOSFET) ist eine spezialisierte Version eines MOSFET, der für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen optimiert ist (bis mehrere hundert Ampere und bis ca. 1000 Volt, bei einem Bauteilvolumen von ca. einem Kubikzentimeter). Die hohe Leistungsdichte wird durch eine raster- oder wabenartige Halbleiterstruktur erreicht, die einer Parallelschaltung von Tausenden einzelner MOSFETs entspricht.

Leistungs-MOSFETs arbeiten nach dem gleichen physikalischen Prinzip wie die in integrierten Schaltkreisen verwendeten MOSFETs, sie unterscheiden sich jedoch durch andere geometrische Formen und Dimensionen. Ab einer Strombelastbarkeit von etwa 1 A wird ein MOSFET den Leistungs-MOSFETs zugeordnet.

Leistungs-MOSFETs unterscheiden sich von bipolaren Leistungstransistoren sowohl in der Funktionsweise als auch in der Effizienz. Einige Vorteile von Leistungs-MOSFETs sind die schnelle Schaltzeit, kein zweiter Durchbruch und stabile Verstärkungs- und Antwortzeiten.

Historie

Ein Antrieb zur Entwicklung der Power MOSFETs waren die Schwächen der bis dahin dominierenden bipolaren Leistungstransistoren (engl.: bipolar power junction transistor, BJT). Bipolartransistoren benötigen z. B. hohe Steuerströme bis ca. 1/5 des Laststromes, während Leistungs-MOSFETs im ein- bzw. ausgeschaltetem Zustand prinzipiell keinen Steuerstrom benötigen.

Physikalische Funktionsweise

Der Aufbau des Leistungs-MOSFETs entspricht dem des MOSFETs – allerdings ergeben sich zahlreiche Besonderheiten. Im Gegensatz zum Signaltransistor der Nachrichtentechnik ist die Anordnung von Source und Drain vertikal. In der Halbleiterstruktur von Gate, Drain und Source entstehen in einem MOSFET zahlreiche parasitäre Elemente, wie z. B. Widerstände, Kapazitäten und Dioden. In der Leistungselektronik muss diesen parasitären Elementen besondere Beachtung geschenkt werden. Die enthaltenen Kapazitäten müssen bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden, was besonders bei hohen Schaltfrequenzen zu erheblichen Schaltverlusten führt. Die prinzipbedingt immer mitenthaltene Diode, die im Normalbetrieb in Sperrrichtung geschaltet ist, kann wie eine zu Drain-Source parallelgeschaltete Diode schaltungstechnisch ausgenutzt werden. Je nach Anforderung müssen noch weitere Effekte berücksichtigt werden.

Es gibt hauptsächlich zwei Typen von Leistungs-MOSFETs – die DMOS- und die VMOS-Struktur. Beide besitzen eine große Drain-Drift-Region, welche das Bauteil gegen Durchbruch bei hohen Sperrspannungen schützt.

DMOS-Feldeffektransistor

MOSFETs dieses Strukturaufbaus werden durch Doppelimplantation der Kanalstruktur hergestellt und als DMOSFET (double-diffused metal-oxide semiconductor field effect transistor) ^[1][2] bezeichnet.

Eine Besonderheit des DMOSFETs ist u. a., dass er im Rückwartsbetrieb (V_DS < 0) keine Sperrfähigkeit aufweist. Die Inversdiode des pn-Überganges zwischen Basis und Kollektor des parasitaren npn-Bipolartransistors befindet sich dann in Flusspolung. Dies wird beim Schalten induktiver Lasten ausgenutzt, hier kann die Inversdiode als Freilaufdiode wirken und so durch Kurzschluss die beim Abschalten der induktiven Last entstehenden hohen Spannung verhindern.

Einsatzgebiete

Leistungs-MOSFETs werden häufig in Verstärkerschaltungen, als stromlos steuerbarer Schalter und als schneller Schalter für die Pulsweitenmodulation eingesetzt, z. B. in Wechselrichtern, Schaltnetzteilen, DC/DC-Wandlern, Motorsteuerungen.

Bei Schaltanwendungen ist die schnelle Strom-Anstiegszeit von MOSFET von Vorteil. Damit lassen sich die Umschaltverluste senken.

Induktive Lasten erzeugen beim Schaltvorgang große Spannungsspitzen, gegen die der Leistungs-MOSFET wie auch andere Halbleiterschalter geschützt sein muss. Dieser Schutz kann jedoch bei MOSFET im Bauteil selbst erreicht werden, indem der Avalancheeffekt beim Durchbruch kontrolliert abläuft, ohne die Bauelementstrukturen partiell zu überhitzen. Oft ist jedoch dennoch eine zusätzliche externe Beschaltung (Snubber) notwendig.

Leistungs-MOSFETs müssen bei hohen Leistungen wie auch andere Leistungshalbleiter gekühlt werden. Da der Kanalwiderstand mit steigender Temperatur ansteigt, erhöht sich bei unzureichender Kühlung die Verlustleistung zusätzlich, dadurch kann es zu einem sog. thermal runaway (thermisches Durchgehen) kommen. Überdies vertragen MOSFET-Strukturen nur geringere maximale Temperaturen als bipolare Strukturen (ca. 125...150 °C gegenüber 150...180 °C).

Kenngrößen

Ein Leistungs-MOSFETs muss in seinem spezifizierten sog. sicheren Arbeitsbereich (engl. safe operating ara, SOA) arbeiten. Wie bei bipolaren Leistungstransistoren ist der sichere Arbeitsbereich durch drei Kenngrößen bestimmt:

• Maximaler Drain-Strom (I_D,max)
• Durchbruchspannung (BV_DSS auch U_Br) und die dadurch vorgegebene maximale Sperrspannung
• Maximale Verlustleistung ()

weitere wichtige Kenngrößen:

• Minimaler Durchgangswiderstand (R_DS(on))
• Maximal zulässige Energie beim Avalanche-Durchbruch
• Ladungsmenge Q_g, die für das Ein- und Ausschalten notwendig ist (Ansteuerverluste)
• max. Spannungsänderungsgeschwindigkeit dV / dt

Anders als Bipolartransistoren vertragen MOSFET sehr hohe dV / dt-Werte, sie müssen nicht durch Snubberglieder dagegen geschützt werden. Auch der sogenannte zweite Durchbruch (Zerstörung durch kleine Ströme bei Spannungen unterhalb der Sperrspannung) tritt bei MOSFET nicht auf, sofern die Verlustleistung nicht überschritten wird.

Weiterentwicklung

Heutzutage wird in den meisten Fällen der Drain-Source-Durchlasswiderstand R_DS(on) (engl. on-state resistance) bei einer vorgegebenen Durchbruchspannung U_Br als Qualitätsmerkmal von Leistungs-MOSFETs betrachtet. Bei der Reduzierung des Durchlasswiderstandes erzielten die Halbleiterhersteller in den späten 1990ern große Fortschritte. Grundsätzlich gilt bei gegebener Chipfläche: je größer die maximale Sperrspannung des MOSFET, um so größer ist sein Durchlasswiderstand.

Der spezifische Einschaltwiderstand variiert mit der Durchbruchspannung:

)

Ein üblicher Wert ist im Jahr 2004 ein R_DS(on) von 0,15 Ω bei einer Sperrspannung von 250 V im Gehäuse TO-247.

Mit Einführung des "super junction" Prinzips (siehe auch "resurf") werden Einschaltwiderstände unterhalb des Siliziumlimits erreicht.

Neben der allgemeinen Verbesserung der Robustheit gegen hohe Strom- und Spannungsspitzen und der Verringerung des Durchlasswiderstandes werden zunehmend weitere Funktionen in das Bauteil integriert. Diese Bauteile werden häufig als „Smart Power Devices“ bezeichnet und enthalten neben Schutzschaltungen (Eingangsschutz, Schutz gegen thermische Überlastung, Strombegrenzung, Fehlersignalgenerierung) z. B. level shifting (Schalten der positiven Lastleitung mit einem massebezogenen Signal, sog. high side switches) oder sogar vollständige PWM-Controller.

Bauformen

Übliche Gehäusebauformen von Leistungs-MOSFET sind
für durchkontaktierte Platinen:

• TO-264
• TO-247
• TO-220

oberflächenmontierbare Gehäuse

• DPack
• D²Pack

Gehäuse mit Schraubanschlüssen für Leitungen oder Stromschienen:

• SOT-227: SOT-227-MOSFET haben vier Schraubanschlüsse - der Source-Anschluss wird doppelt herausgeführt, um ein exakteres Referenzpotential zur Gateansteuerung zur Verfügung zu haben.

Weblinks

• Power MOSFET Basics (engl.)

Quellen und Fußnoten

1. ↑ Akiyama, Sigeo ; Suzumura, Masahiko ; Nobe, Takeshi: Double-Diffused Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Device. Matsushuta Electric Works LTD. 8.10.1991. USA. Veröffentlichungsnr. US5055895
2. ↑ Tille, Thomas: Mikroelektronik : Halbleiterbauelemente und deren Anwendung in elektronischen Schaltungen. Berlin : Springer, 2005 – ISBN 978-3-540-20422-0

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