Deutsch
Menü

Anreicherungs- vs. Verarmungstyp-MOSFET: Vth, Symbol, Einsatz

Beim Anreicherungstyp gibt es bei einer Gatespannung von 0 V keinen Kanal; erst wenn am Gate eine Spannung anliegt und eine Inversionsschicht entsteht, fließt Strom (selbstsperrend). Beim Verarmungstyp ist der Kanal bereits vorhanden, sodass auch bei 0 V am Gate Strom fließt; legt man eine Gatespannung entgegengesetzter Richtung an und beseitigt den Kanal, sperrt der Transistor (selbstleitend). Beim n-Kanal ist die Schwellenspannung beim Anreicherungstyp positiv und beim Verarmungstyp negativ. In den meisten Anwendungen, angefangen bei CMOS-Logik, wird der Anreicherungstyp verwendet.

MerkmalAnreicherungstypVerarmungstyp
Bei 0 V am GateKein Kanal, aus (selbstsperrend)Kanal vorhanden, ein (selbstleitend)
Vorzeichen der Schwellenspannung (n-Kanal)PositivNegativ
Vorzeichen der Schwellenspannung (p-Kanal)NegativPositiv
KanalbildungDie Gatespannung induziert eine Inversionsschicht an der SubstratoberflächeEine dünne Kanalschicht wird vorab an der Oberfläche erzeugt, etwa durch Ionenimplantation
Abschalten (n-Kanal)Gatespannung unter die Schwelle senken (0 V genügt)Negative Spannung ans Gate legen und den Kanal verarmen
Herkunft des NamensDie Gatespannung reichert den Kanal an (enhance)Die Gatespannung verarmt den Kanal (deplete)
SchaltsymbolKanallinie als in drei Stücke unterbrochene StrichlinieKanallinie als eine durchgehende Linie
Bei Ausfall der AnsteuerungSchaltet ab, daher sicherKann einschalten, daher Vorsicht wegen Kurzschlüssen u. a.
HauptanwendungenNahezu alle Anwendungen wie CMOS-Logik, Leistungs-MOSFETs und AnalogschaltungenLastelemente in früher NMOS-Logik, Konstantstromquellen, Anlaufschaltungen von Netzteilen u. a.

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Anreicherungstyp
In den meisten Fällen. Da er bei 0 V am Gate sicher sperrt, wird er für Schalter in Logikschaltungen und für Leistungsschalter eingesetzt, die sicher abschalten sollen.
Verarmungstyp
Wenn ohne Gatespannung Strom fließen soll. Etwa als Lastelement anstelle eines Widerstands, als einfache Konstantstromquelle mit verbundenem Gate und Source oder in Anlaufschaltungen, die schon vor dem Hochfahren der Versorgung arbeiten.
Einsatz selbstleitender Bauelemente
Von Natur aus selbstleitende Bauelemente wie GaN-HEMTs werden selbstsperrend betrieben, indem die Gatestruktur angepasst oder in einer Kaskodenschaltung ein Silizium-MOSFET mit niedriger Sperrspannung in Reihe geschaltet wird.

Häufige Fragen

Warum wird in der Leistungselektronik selbstsperrendes Verhalten gefordert?

Weil ein selbstleitendes Bauelement einschaltet, wenn die Versorgung der Gate-Ansteuerung ausfällt oder diese defekt ist; dann kann die Versorgung kurzgeschlossen werden und ein großer Strom fließen. Ein Anreicherungstyp sperrt bei 0 V am Gate und ist daher sicher.

In welchen Schaltungen wurde der Verarmungstyp eingesetzt?

In der NMOS-Logik vor der Verbreitung von CMOS diente ein Verarmungstyp mit verbundenem Gate und Source als Lastelement anstelle eines Widerstands. Auch heute wird er in einfachen Konstantstromquellen und Anlaufschaltungen von Netzteilen u. a. verwendet.

Wie unterscheidet man sie am Schaltsymbol?

An der Linie, die den Kanal darstellt. Beim Anreicherungstyp wird sie als in drei Stücke unterbrochene Strichlinie gezeichnet, um zu zeigen, dass ohne Gatespannung kein Kanal besteht. Beim Verarmungstyp ist der Kanal von Anfang an vorhanden, daher wird eine durchgehende Linie gezeichnet.

Kann man sie am Wert der Schwellenspannung unterscheiden?

Ja. Beim n-Kanal handelt es sich bei positiver Schwellenspannung um einen Anreicherungstyp, bei negativer um einen Verarmungstyp. Beim p-Kanal sind die Vorzeichen umgekehrt: negativ bedeutet Anreicherungstyp, positiv Verarmungstyp.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zu den Merkmalen eines MOSFETs vom Verarmungstyp ist richtig?

  1. AEr hat kein Gate
  2. BAuch bei einer Gate-Spannung von 0 V ist ein Kanal vorhanden, und es fließt Strom
  3. CAuch bei einer Gate-Spannung oberhalb der Schwellenspannung fließt kein Strom
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Auch bei einer Gate-Spannung von 0 V ist ein Kanal vorhanden, und es fließt Strom

Der Verarmungstyp ist ein MOSFET, bei dem der Kanal bereits vorhanden ist und auch bei einer Gate-Spannung von 0 V Strom fließt (Normally-on). Bei einem n-Kanal wird der Strom durch eine negative Gate-Spannung gesperrt, die den Kanal beseitigt. In früher NMOS-Logik wurde er als Lastelement verwendet. Da er auch bei Ausfall der Versorgung leitet, ist unter Sicherheitsaspekten Vorsicht geboten; auch GaN-HEMTs sind von Natur aus Normally-on, weshalb Strukturen für Normally-off-Betrieb entwickelt werden.

Welche Bedingung ist richtig, damit ein n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp einschaltet (leitet)? (VGS: Gate-Source-Spannung, Vth: Schwellenspannung)

  1. AVGS beträgt 0 V
  2. BVGS ist größer als Vth
  3. CVGS ist eine negative Spannung
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. VGS ist größer als Vth

Beim n-MOSFET vom Anreicherungstyp werden bei einer positiven Gate-Spannung oberhalb von Vth Elektronen an die Oberfläche des p-Substrats gezogen, es bildet sich eine Inversionsschicht (Kanal), und zwischen Source und Drain fließt Strom. Bei VGS = 0 V gibt es keinen Kanal, und der Transistor sperrt; auch bei schwebendem Gate fließt kaum Strom (Normally-off), was für Logikschaltungen und Leistungsanwendungen sicherheitstechnisch vorteilhaft ist. Vth beträgt bei moderner Logik üblicherweise 0,2 bis 0,4 V, bei Leistungsbauelementen etwa 1 bis 4 V.

Welches Vorzeichen hat die Schwellenspannung (auf die Source bezogen) eines p-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp?

  1. APositiv
  2. BNegativ
  3. CStets 0 V
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Negativ

Beim pMOS bildet sich bei einer Gate-Spannung unterhalb der Source eine Inversionsschicht aus Löchern an der Oberfläche des n-Substrats (n-Wanne), und der Transistor leitet. Die Schwellenspannung eines pMOS vom Anreicherungstyp ist daher negativ (z. B. −0,4 V). In Schaltungen gilt: Die Source liegt an der Versorgung VDD, und der pMOS leitet, wenn das Gate um mindestens |Vth| unter VDD liegt. In Entwurfsunterlagen wird zur Vermeidung von Vorzeichenverwechslungen häufig mit dem Betrag |Vth| verglichen.

  1. Was ist der Hauptgrund dafür, dass bei Leistungsbauelementen die Normally-off-Eigenschaft (kein Stromfluss bei 0 V Gate-Spannung) gefordert wird?
  2. Mit welcher Schaltung wird ein selbstleitender (Normally-on) GaN-HEMT in Reihe mit einem Silizium-MOSFET niedriger Spannungsfestigkeit kombiniert, um ihn sicher als selbstsperrendes (Normally-off) Bauelement zu betreiben?

Übungsfragen zu MOSFET

Wichtige Begriffe erklärt

Schwellenspannung
Gatespannung, bei der sich im MOSFET der Kanal (Inversionsschicht) bildet und Strom zu fließen beginnt. Geschrieben als Vth.
Normally-off
Eigenschaft, dass bei einer Gatespannung von 0 V kein Strom fließt. In Leistungsbauelementen aus Sicherheitsgründen gefordert, da auch bei Ausfall der Ansteuerung kein Strom weiterfließt.
Inversionsschicht
Schicht an der Halbleiteroberfläche, in der sich durch die Gatespannung Ladungsträger des zum Grundmaterial entgegengesetzten Typs ansammeln. Sie bildet den Kanal des MOSFET.

Verwandte Vergleiche