Möchten Sie die Funktionsweise und den Aufbau eines elektronischen Geräts verstehen? Dann entschlüsseln Sie das MOSFET-Symbol und erwerben Sie das nötige Wissen.
Ob Mikrochip oder Leistungsbauelement – MOSFETs sind in allen Elektrogeräten vorhanden. In diesem Blog erklären wir alles Wissenswerte über das MOSFET-Symbol inklusive Diagrammen.
Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.
Was ist ein MOSFET?
Ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) schaltet oder verstärkt elektronische Signale. Er ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Elektronik, üblicherweise in Stromversorgungen, Konvertern, Wechselrichtern, Mikroprozessoren und vielen anderen Anwendungen.
Es gibt zwei Arten von MOSFETs:
● P-Kanal-MOSFET
● N-Kanal-MOSFET
Der P-Kanal-MOSFET leitet Strom, wenn an das Gate eine negative Spannung angelegt wird, während der N-Kanal-MOSFET leitet, wenn an das Gate eine positive Spannung angelegt wird.
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Grundlegende MOSFET-Symbole erklärt
N-Kanal-MOSFET-Symbol
Ein auf den Kanal zeigender Pfeil zeigt an, dass Elektronen die Ladungsträger sind. Der Kanal wird eingeschaltet, wenn eine positive Spannung (höher als die Schwellenspannung) an das Gate angelegt wird. Liegt am Gate jedoch keine Spannung an, bleibt es ausgeschaltet.
Hier sind einige Funktionen:
● Der Pfeil zeigt die Richtung zum Kanal an.
● Elektronen sind die Ladungsträger.
● Das Gerät schaltet sich ein, wenn Gate einen höheren Spannungspegel als Source aufrechterhält.
● Das Gerät funktioniert im Schalt- und Verstärkungsbetrieb.
P-Kanal-MOSFET-Symbol
Das Symbol ist ein Pfeil, der vom Kanal weg zeigt (Löcher als Ladungsträger). Es wird eingeschaltet, wenn die negative Spannung am Gate angelegt wird. Andernfalls bleibt es standardmäßig ausgeschaltet.
● Der Pfeil zeigt in die entgegengesetzte Richtung des Kanals.
● Löcher sind die Ladungsträger.
● Wenn das Gate im Vergleich zur Quelle ein negatives Potenzial aufrechterhält, wird das Gerät aktiviert.
● MOSFETs mit P-Kanal-Konfiguration sind in bestimmten Anwendungen nützlich, obwohl N-Kanal-MOSFETs eine breitere Verwendung finden.
Die drei MOSFET-Anschlüsse sind Gate (G), Drain (D) und Source (S).
Tor
Das Gate ist einer der MOSFET-Pins, der den Stromfluss zwischen Drain und Source steuert. Es funktioniert grundsätzlich wie ein Schalter, der den Stromfluss basierend auf der angelegten Gate-Source-Spannung (V_GS) zulässt oder blockiert.
Abtropfen
Der Drain ist der Ausgangsanschluss, aus dem der Strom austritt. Bei einem N-Kanal-MOSFET fließt der Strom im eingeschalteten Zustand vom Drain zur Source. Bei einem P-Kanal-MOSFET fließt er von der Source zum Drain.
Quelle
Die Quelle ist der Anschluss, an dem der Strom fließt. Sie ist typischerweise mit der Masse (N-Kanal) oder einer positiven Spannungsversorgung (P-Kanal) verbunden.
Darüber hinaus verfügt es auch über einen Substratkörper, der mit der Quelle verbunden ist.
Klassifizierung von MOSFETs
MOSFETs werden anhand von zwei Kriterien klassifiziert: Kanaltyp (N-Kanal oder P-Kanal) und Betriebsart (Anreicherungs- oder Verarmungsmodus). Der Kanaltyp kann N-Kanal (negative Ladungsträger) oder P-Kanal (positive Ladungsträger) sein; die Betriebsarten werden jedoch in Verarmungs- und Anreicherungsmodus unterteilt.
Um Ihnen die Klassifizierung von MOSFETs verständlich zu machen, führen wir eine detaillierte Aufschlüsselung durch.
1. N-Kanal-Anreicherungsmodus-MOSFET
Dieser Kanal basiert auf zwei stark dotierten n-Regionen: i) Source und ii) Drain. Beide sind in ein p-Typ-Substrat eingebettet. Das Gate ist durch eine dünne Siliziumdioxidschicht (SiO2) vom Substrat isoliert. Liegt keine Spannung am Gate an, fließt kein Strom, da kein leitfähiger Kanal vorhanden ist.
Die N-Kanal-Verstärkung funktioniert, wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird. Sie zieht Elektronen in die Nähe der Siliziumdioxidschicht. Ab einer bestimmten Spannung (VTH oder Threshold) bildet sich ein leitfähiger N-Kanal, nachdem sich genügend Elektronen zwischen den N-Regionen angesammelt haben, was zu einem Stromfluss führt.
Eine Erhöhung der Gate-Source-Spannung (VGS) verstärkt den Kanal und erhöht die Leitfähigkeit. Der MOSFET geht in den Sättigungsmodus, wenn VDS ≥ VGS - VTH ist, und arbeitet in diesem Bereich effektiv als Verstärker.
2. P-Kanal-Anreicherungsmodus-MOSFET (PMOS)
Löcher stellen den Großteil der Ladungsträger im PMOS-MOSFET dar. Im Gegensatz zum n-Kanal dominieren in diesem Bauelement Elektronen. Im Gegensatz zum n-Kanal ist er auf einem n-Typ-Substrat aufgebaut. Eine dünne Schicht Siliziumdioxid dient zur Isolierung.
Bei der P-Kanal-Anreicherung aktiviert eine negative Spannung den MOSFET am Gate (G), wodurch Strom von der Quelle zum Drain fließen kann.
Mit zunehmender negativer Gate-Source-Spannung (VGS) wird der leitfähige Kanal breiter, was zu einem erhöhten Stromfluss führt.
Der P-Kanal-Anreicherungs-MOSFET fungiert als spannungsgesteuerter Schalter und eignet sich ideal für High-Side-Schaltanwendungen. Er sorgt für eine gleichmäßige Stromregelung zwischen Source und Drain.
3. N-Kanal-Verarmungsmodus-MOSFET
Bei diesem Kanaltyp sind zwei n-Regionen (Source und Drain) in das p-Typ-Substrat eingebettet. Die Kanalregion liegt zwischen diesen beiden n-Regionen. Der Kanal wird während des Herstellungsprozesses vordefiniert. Eine Siliziumdioxidschicht dient zur Isolierung.
Standardmäßig fließt der Strom im n-Kanal-Verarmungszustand auch bei VGS = 0 V. Im Verarmungszustand verringert sich der Strom, wenn die negative VGS angelegt wird, wodurch Elektronen abgestoßen werden. In vielen elektronischen Anwendungen fungiert der n-Kanal-Verarmungszustand als spannungsgesteuerter Schalter.
4. P-Kanal-Verarmungsmodus-MOSFET
Der P-Kanal-Verarmungszustand ist das Gegenteil des N-Kanal-Verarmungszustands. Er ist mit dem p-Typ-Kanal vorgefertigt. Das Anlegen einer negativen Spannung zieht Elektronen an und beeinflusst die Leitfähigkeit. Der Drain ist im p-Kanal-Verarmungszustand in Sperrrichtung vorgespannt, wodurch der Strom fließen kann.
Durch die Erhöhung der negativen Drain-Spannung entsteht eine Verarmungszone und der Stromfluss wird reduziert.
Durch Anpassen der Spannung wird die Leitfähigkeit bei P-Kanal-Verarmung gesteuert. Gate und Drain bleiben auf negativer Polarität, während die Source bei Nullspannung bleibt.
Lesen von MOSFET-Symbolen in Schaltplänen
Schalter und Verstärker gehören zu den wichtigsten Schaltkreisen, die mit MOSFETs betrieben werden.
MOSFET als Schalter
MOSFET-Schalter werden in Motortreibern, digitalen Schaltungen und der Leistungssteuerung eingesetzt. Sie verfügen über einen standardmäßigen Ein-/Ausschalter, der auf der Gate-Spannung basiert. Der N-Kanal-MOSFET schaltet bei positiver Gate-Spannung ein, während der P-Kanal-MOSFET bei negativer Gate-Spannung einschaltet.
MOSFET als Verstärker
Sie werden in der Signalverarbeitung, in Audioverstärkern und HF-Schaltungen verwendet. MOSFET-Verstärker arbeiten typischerweise im Sättigungsbereich (oder im aktiven Bereich), wo eine kleine Änderung der Gate-Spannung einen größeren Drain-Strom steuert.
Schnelle Tipps zum Erkennen von N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETs in einer Schaltung
Mit genauen Kenntnissen der MOSFET-Typen können Sie die Schaltung besser entschlüsseln. Der häufigste Unterschied zwischen N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETs in einer Schaltung ist:
● Der N-Kanal-MOSFET ist typischerweise mit der unteren Seite einer Last oder Masse verbunden, während der P-Kanal-MOSFET mit der oberen Seite, also der Stromversorgung, verbunden ist.
● Zweitens schaltet ein N-Kanal-MOSFET ein, sobald die Gate-Spannung die Source-Spannung überschreitet. Im Gegensatz dazu schaltet der P-Kanal-MOSFET ein, wenn die Gate-Spannung niedriger als die Source-Spannung ist.
● In einem N-Kanal-MOSFET fließt der Strom von vom Drain zur Source, während es in einem P-Kanal-MOSFET von der Source zum Drain fließt.
● Schließlich leitet die Body-Diode in einem N-Kanal-MOSFET von der Quelle zum Drain, während sie in einem P-Kanal-MOSFET vom Drain zur Quelle leitet.
Häufige Fehler bei der Interpretation von MOSFET-Symbolen
Beim Lesen von MOSFET-Symbolen passieren häufig Fehler.
1. Der häufigste Fehler bei der Interpretation von MOSFETs ist die Verwechslung der Symbole, was zu fehlerhaftem Schaltungsverhalten führen kann. Bei einem N-Kanal-MOSFET zeigt der Pfeil von der Quelle zum Kanal. Bei einem P-Kanal-MOSFET zeigt der Pfeil vom Kanal zur Quelle und gibt damit die Richtung des konventionellen Stroms (Löcherfluss) an.
2. Der zweite häufige Fehler besteht in der Fehlinterpretation der Gate-Spannungsanforderungen, die das Einschalten des MOSFET verhindern kann.
3. Manchmal interpretieren viele Bastler und sogar Profis Terminals falsch. Das liegt daran, dass sie die Beschriftungen ignorieren. Infolgedessen betrachten sie alle Terminals als gleich. Daher ist es wichtig, die Details der Symbole zu überprüfen.
4. Das Ignorieren der Körperverbindung kann zu unerwarteten Schaltungsreaktionen führen.
5. Beim Umschalten zwischen den Symbolen für den Verarmungs- und den Anreicherungsmodus könnte man annehmen, dass die MOSFETs ausgeschaltet sind. Beachten Sie daher die Anweisungen der Symbole.
6. Viele übersehen das optionale Gehäuse- oder Substratsymbol während des Betriebs. Das Verständnis der Funktion dieses Anschlusses ist entscheidend, auch wenn er nicht in einer separaten Anzeige dargestellt ist. Der Anschluss spielt eine Rolle bei der Anpassung der MOSFET-Betriebseigenschaften für bestimmte Schaltungsanwendungen. Das Vernachlässigen dieses Anschlusses kann bei Leistungsanwendungen zu Fehlinterpretationen führen.
7. Schaltpläne können variieren. Verschiedene Quellen können Symbole enthalten, die unterschiedlich aussehen. Überprüfen Sie die Komponentenspezifikationen anhand des offiziellen Datenblatts.
Fazit
Das Verständnis und die korrekte Interpretation der MOSFET-Symbole ist für die Erstellung einer effizienten elektronischen Schaltung unerlässlich. Bei der Auswahl von MOSFETs für bestimmte Anwendungen, insbesondere für Hochleistungsanwendungen, müssen Sie deren Nennleistung berücksichtigen, z. B. die maximale Verlustleistung in Watt (W) oder Kilowatt (kW). Dies trägt dazu bei, sicherzustellen, dass der Transistor die gewünschte Leistung effizient und fehlerfrei verarbeiten kann.
Dieses Handbuch enthält alle notwendigen Informationen zum Verständnis der Funktionsweise von MOSFETs und zum Erkennen der Symbole PMOS und NMOS, damit Ingenieure effiziente elektronische Schaltungsdesigns erstellen können.
Wenn Sie Elektronik als Hobby entwerfen, hilft Ihnen dieses Handbuch dabei, den grundlegenden Mechanismus von MOSFETs und ihre Funktionalität zu verstehen.
