Funktionsprinzip
Ein MOSFET ist ein spannungsgesteuerter Schalter auf einem Halbleiterchip mit drei Anschlüssen: Gate, Drain und Source. Beim selbstsperrenden N-Kanal-Typ liegt das Gate über einer dünnen Oxidschicht auf einem p-leitenden Bulk. Eine positive Gate-Source-Spannung zieht Elektronen an die Oberfläche und invertiert den Bereich, sobald die Schwellenspannung überschritten ist, zu einem leitenden N-Kanal zwischen Drain und Source. Ohne Gatespannung sperrt das Bauteil — genau das bedeutet selbstsperrend beziehungsweise Anreicherungstyp.
Arbeitsbereiche
Unterhalb der Schwellenspannung ist der MOSFET gesperrt und führt nur Leckstrom. Knapp darüber verhält er sich bei kleiner Drain-Source-Spannung wie ein Widerstand, dessen Wert das Gate bestimmt — der ohmsche oder lineare Bereich, gekennzeichnet durch den Einschaltwiderstand RDS(on). Steigt die Drain-Source-Spannung über den Abschnürpunkt, wird der Kanal abgeschnürt: Der Drainstrom wird nahezu unabhängig von dieser Spannung und allein vom Gate bestimmt — der Bereich, in dem verstärkt wird.
Gate-Ansteuerung und Schaltverluste
Das Gate ist ein isolierter Kondensator, weshalb ein MOSFET stationär praktisch keinen Steuerstrom braucht — das Umladen dieser Gatekapazität verlangt aber echten Strom und bestimmt, wie schnell geschaltet werden kann. Die Verluste bestehen aus zwei Teilen: Durchlassverluste, gleich Drainstrom im Quadrat mal RDS(on), und Schaltverluste während der Übergänge. Ein hart getriebenes Gate und ein vollständig aufgesteuerter Kanal halten beide klein — darum wird ein Schalt-MOSFET stets weit oberhalb seiner Schwelle angesteuert.
Einsatzgebiete
Leistungs-MOSFETs schalten den Strom in nahezu jedem modernen Stromrichter: Abwärts- und Aufwärtsregler, Motorwechselrichter, Klasse-D-Verstärker, Batterieschutzschaltungen und Halbleiterrelais. Kleinsignal-MOSFETs bilden die Logikgatter in jedem CMOS-Schaltkreis. Hohe Eingangsimpedanz, schnelles Schalten und niedriger Einschaltwiderstand bei mittleren Spannungen haben sie unterhalb von etwa 200 Volt zum Standardleistungsschalter gemacht.