nMOSFET
Ein Typ von Feldeffekttransistor (MOSFET), der einen n-Kanal nutzt und leitend wird, wenn eine Spannung oberhalb eines Schwellwerts an das Gate relativ zur Source angelegt wird; wird häufig in CMOS-Schaltungen zusammen mit pMOSFETs verwendet.
nMOSFET: der n-Kanal-Schalter, der leitet, wenn man ihn ansteuert
Ein nMOSFET ist ein Halbleiterschalter, der auf einem n-Kanal (elektronenreich) aufgebaut ist und zwischen Source- und Drain-Anschlüssen liegt. Wenn du eine positive Spannung an das Gate relativ zur Source anlegst, zieht diese Spannung Elektronen in den Kanal und erzeugt einen Leitungspfad. Nimmst du die Gate-Spannung weg, verarmt der Kanal und sperrt den Stromfluss. Dieses Verhalten macht den nMOSFET zu einem schnellen, effizienten Elektronikschalter für Stromversorgungen, Motorantriebe und digitale Logikschaltungen.
Das Bauteil besteht aus einem Silizium-Substrat mit einer dünnen Schicht Siliziumdioxid (das Oxid) darauf, dann einem Metal- oder Polysilizium-Gate-Elektrodenpaar oben drauf. Source und Drain sind stark dotierte n-Typ-Regionen, während der Body oder Bulk p-Typ-Silizium ist. Wenn die Gate-Spannung die Schwellspannung übersteigt (typischerweise zwischen 0,5 und 2 Volt je nach Bauform), sammeln sich Elektronen unter dem Gate an und leiten zwischen Source und Drain. Dieses Schwellverhalten ist der Grund, warum die Gate-Steuerung zuverlässig und wiederholbar ist.
Leistungs- und Schaltverluste
In der Leistungselektronik werden nMOSFETs gegenüber pMOSFETs bevorzugt, da sie einen niedrigeren Einschaltwiderstand haben (typischerweise zehn bis hundert Milliohm bei modernen Bauformen) und schnellere Schaltgeschwindigkeiten erreichen. Sie erzeugen jedoch Wärmeverluste im eingeschalteten Zustand (Widerstandsverlust durch Drain-Source-Strom über den Einschaltwiderstand) und während der Schaltvorgänge (kapazitive Verluste beim Rampen der Gate-Spannung). Die innere Body-Diode in einem nMOSFET leitet Rückwärtsstrom, wenn der Drain relativ zur Source negativ wird, was in Half-Bridge-Topologien zu Durchschussstromphänomenen führen kann, wenn die Gate-Ansteuerung nicht sorgfältig zeitlich abgestimmt ist.
Praktische nMOSFETs kommen in Einzelpaketen (TO-220, D2PAK) und als Anordnungen auf integrierten Schaltungen vor. Moderne Hochleistungsgeräte verwenden Graben-Geometrie, bei der das Gate-Oxid die Wände eines tiefen vertikalen Grabens im Silizium auskleidet, was die Kanalbreite vergrößert und den Einschaltwiderstand senkt. Die Parallelschaltung vieler kleiner Zellen (manchmal Millionen auf einem einzigen Chip) bestimmt die Gesamtstromfähigkeit. Hersteller geben maximale Drain-Source-Spannung, kontinuierliche und gepulste Strombelastungen sowie den thermischen Widerstand von der Sperrschicht zum Gehäuse an.
nMOSFETs dominieren in DC-DC-Wandlern, Wechselrichtern für erneuerbare Energien und getakteten Stromversorgungen, da sie schnelle Schaltfrequenzen (bis zu Hundertschaften von Kilohertz) ohne übermäßige Verluste vertragen. Sie bilden auch die Grundlage der CMOS-Digitallogik, wo Paare von nMOSFETs und pMOSFETs als komplementäre Gatter arbeiten. Der Begriff n-Kanal bezieht sich auf die Art des Ladungsträgers: Elektronen, die schneller sind als die Löcher, die in pMOSFETs leiten, was erklärt, warum nMOSFETs schneller leitend werden und mit höherer Geschwindigkeit schalten.