Was ist ein MOS-Transistor?
Der Metalloxid-Halbleiter-Transistor (MOS-Transistor) ist der Baustein modernster digitaler Speicher, Prozessoren und Logik-Chips. Es ist auch ein gemeinsames Element in vielen integrierten Analog- und Mischsignalschaltungen. Diese Transistoren finden sich in einer beliebigen Anzahl von elektronischen Geräten, von Mobiltelefonen und Computern bis hin zu digital gesteuerten Kühlschränken und elektronischen medizinischen Geräten. Der MOS-Transistor ist sehr vielseitig und kann als Schalter, Verstärker oder Widerstand dienen. Es ist auch als ein bestimmter Typ eines Feldeffekttransistors (FET) bekannt, der als IGFET (Insulated Gate) oder MOS (MOSFET) bezeichnet wird. Der Feldeffekt bezieht sich auf das elektrische Feld aus der Ladung am Gate des Transistors.
Der MOS-Transistor wird auf einem Halbleiterkristallsubstrat hergestellt, das üblicherweise aus Silizium besteht. Das Substrat ist mit einer dünnen Isolierschicht bedeckt, die häufig aus Siliziumdioxid besteht. Über dieser Schicht befindet sich das Gate, das typischerweise entweder aus Metall oder polykristallinem Silizium besteht. Der Kristallbereich auf einer Seite des Gates wird als Source bezeichnet, während der andere als Drain bezeichnet wird. Die Source und der Drain sind im Allgemeinen mit der gleichen Art von Silizium "dotiert"; der Kanal unter dem Gate ist mit dem entgegengesetzten Typ "dotiert". Dies bildet eine Struktur ähnlich einem Standard-NPN- oder PNP-Transistor.
Ein MOS-Transistor wird im Allgemeinen entweder als PMOS- oder NMOS-Transistor hergestellt. Ein PMOS-Transistor hat eine Source und eine Drain aus p-Typ-Silizium; Der Kanal unter dem Gate ist vom Typ n. Wenn eine negative Spannung an das Gate angelegt wird, schaltet der Transistor ein. Dadurch kann ein Strom zwischen Source und Drain fließen. Wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, schaltet es ab.
Ein NMOS-Transistor ist das Gegenteil: ein Kanal vom p-Typ mit einer Source und einem Drain vom n-Typ. Wenn am Gate eines NMOS-Transistors eine negative Spannung anliegt, schaltet dieser ab; Eine positive Spannung schaltet es ein. Ein Vorteil, den NMOS gegenüber PMOS hat, ist die Schaltgeschwindigkeit - NMOS ist im Allgemeinen schneller.
Viele integrierte Schaltungen verwenden komplementäre MOS-Logikgatter (CMOS). Ein CMOS-Gate besteht aus zwei Arten von miteinander verdrahteten Transistoren: einem NMOS und einem PMOS. Diese Gates werden oft bevorzugt, wenn der Stromverbrauch kritisch ist. Sie verbrauchen normalerweise keine Energie, bis die Transistoren von einem Zustand in den anderen wechseln.
Der Verarmungs-MOSFET ist ein spezieller Typ eines MOS-Transistors, der als Widerstand verwendet werden kann. Sein Gate-Bereich wird mit einer zusätzlichen Schicht zwischen dem Siliziumdioxid-Isolator und dem Substrat hergestellt. Die Schicht ist mit der gleichen Art von Silizium "dotiert" wie die Drain- und Source-Gebiete. Wenn am Gate keine Ladung vorhanden ist, leitet diese Schicht Strom. Der Widerstand wird durch die Größe des Transistors bestimmt, wenn dieser erzeugt wird. Das Vorhandensein einer Gateladung schaltet diesen Typ von MOS-Transistor aus.
Wie die meisten anderen Transistoren kann ein MOS-Transistor ein Signal verstärken. Die Strommenge, die zwischen Source und Drain fließt, variiert mit dem Gate-Signal. Einige MOS-Transistoren sind so konstruiert und einzeln verpackt, dass sie große Ströme verarbeiten können. Diese können in Schaltnetzteilen, Hochleistungsverstärkern, Spulentreibern und anderen analogen oder Mixed-Signal-Anwendungen verwendet werden. Die meisten MOS-Transistoren werden in digitalen Schaltungen mit geringer Leistung und geringem Stromverbrauch verwendet. Diese sind typischerweise in Chips mit anderen Teilen enthalten, anstatt alleine zu stehen.