MOSFET-Arbeitsbereich-Rechner
Bestimmen Sie den Arbeitsbereich eines MOSFET: Cutoff, Linear (Triode) oder Sättigung — mit Id, gm und ro.
Funktionsprinzip
Ein MOSFET hat drei Arbeitsbereiche, die durch die Beziehung zwischen Vgs, Vds und Vth bestimmt werden:
Die Transkonduktanz gm = K×(Vgs-Vth) beschreibt die Verstärkungsfähigkeit. Der Ausgangswiderstand ro = 1/(λ×Id) begrenzt die Spannungsverstärkung.
Drei Arbeitsbereiche
Normen & Standards
| Norm | Bezeichnung | Anwendungsbereich |
|---|---|---|
| DIN EN 60747-8 | Halbleiterbauelemente — Feld-Effekt-Transistoren | Prüf- und Messverfahren für MOSFETs: Vth-Messung, Id-Vds Kennlinien, thermische Widerstände, Schaltzeiten. |
| DIN EN 60747-1 | Halbleiterbauelemente — Allgemein | Allgemeine Anforderungen und Begriffe für Halbleiterbauelemente, einschließlich absolute Grenzwerte und Umgebungsbedingungen. |
| IEC 60747-8 | Semiconductor — Field-effect transistors | Internationale Norm für MOSFET-Spezifikationen: Übertragungskennlinie, Ausgangscharakteristik, Safe Operating Area. |
| BSIM4 | Berkeley MOSFET-Modell | Industriestandard-Kompaktmodell für MOSFET-Simulation in SPICE. Berücksichtigt Kurzkanaleffekte, Quantisierung und parasitäre Effekte. |
Fachbegriffe (Glossar)
- Sperrbereich (Cutoff)
- Vgs < Vth: Kein Inversionskanal, Id ≈ 0. MOSFET ist AUS. Nur Sperrstrom im pA-nA-Bereich.
- Linearer Bereich (Triode)
- Vgs ≥ Vth, Vds < Vov: Durchgehender Kanal, MOSFET wirkt als spannungsgesteuerter Widerstand. Schalteranwendungen.
- Sättigungsbereich
- Vgs ≥ Vth, Vds ≥ Vov: Kanal am Drain abgeschnürt. Id ≈ K/2 × Vov². Verstärker- und Analogbetrieb.
- Übersteuerspannung (Vov)
- Vov = Vgs - Vth: Maß für die Kanalstärke. Bestimmt Id, gm und die Sättigungsgrenze.
- Transkonduktanz (gm)
- dId/dVgs: Spannungs-Strom-Verstärkung. In der Sättigung: gm = K × Vov. Schlüsselkenngröße für Verstärkerdesign.
- Kanallängenmodulation (λ)
- Parameter für die endliche Steigung in der Sättigung: Id = Id,sat × (1+λVds). λ = 1/(VA) mit VA = Early-Spannung.
- Rds_on
- Drain-Source-Widerstand im eingeschalteten Zustand (linearer Bereich). Bestimmt Schaltverluste bei Power-MOSFETs.
Häufig gestellte Fragen
Welche Arbeitsbereiche hat ein MOSFET?
Drei Hauptbereiche: (1) Sperrbereich: Vgs < Vth, kein Strom. (2) Linearer Bereich (Triode): Vgs ≥ Vth und Vds < Vov, MOSFET wirkt als Widerstand. (3) Sättigungsbereich: Vgs ≥ Vth und Vds ≥ Vov, Strom weitgehend Vds-unabhängig.
Was ist die Schwellenspannung Vth?
Vth ist die Gate-Source-Spannung, ab der der Inversionskanal entsteht. Typisch: 1-3V für Enhancement-NMOS. Sie hängt von Oxidicke, Substratdotierung, Body-Effekt und Temperatur ab.
Wann ist ein MOSFET in Sättigung?
Wenn Vds ≥ Vgs - Vth (= Vov). Der Kanal ist am Drain abgeschnürt (pinch-off). Id = K/2 × Vov² × (1+λVds). Dieser Bereich wird für Verstärkerschaltungen verwendet.
Was ist die Übersteuerspannung Vov?
Vov = Vgs - Vth. Sie beschreibt, wie stark der MOSFET über die Schwelle angesteuert wird. Größeres Vov → höherer Id und gm, aber auch größerer Vds zum Erreichen der Sättigung.
Was ist die Transkonduktanz gm?
gm = dId/dVgs beschreibt die Verstärkungsfähigkeit. In der Sättigung: gm = K × Vov = 2×Id/Vov. Typisch: 1-50 mA/V für diskrete MOSFETs, 0,1-5 mA/V für integrierte.
Was ist der Ausgangswiderstand ro?
ro = 1/(λ×Id) beschreibt die endliche Steigung der Id-Vds Kennlinie in der Sättigung. λ (Kanallängenmodulation): 0,01-0,1 V⁻¹ für lange Kanäle, 0,1-0,5 V⁻¹ für kurze.
Was bedeutet Rds_on?
Der Drain-Source-Einschaltwiderstand im linearen Bereich: Rds_on ≈ 1 / [K × (Vgs-Vth)]. Je höher Vgs, desto kleiner Rds_on. Für Power-MOSFETs typisch: 1-100 mΩ.
Wie unterscheiden sich N- und P-MOSFET?
N-MOSFET: positives Vgs schaltet ein, Elektronen als Ladungsträger. P-MOSFET: negatives Vgs (|Vgs|>Vth) schaltet ein, Löcher als Ladungsträger. P-MOSFET hat typisch 2-3× höheres Rds_on bei gleicher Chipfläche.
Was ist Kanallängenmodulation λ?
λ (Lambda) beschreibt die Abhängigkeit von Id von Vds in der Sättigung: Id × (1+λVds). Physikalisch: die Pinch-off-Region wächst mit Vds, effektive Kanallänge verkürzt sich. Kleinere Technologie → größeres λ.
Wie beeinflusst die Temperatur den MOSFET?
Vth sinkt (~-2mV/°C), Mobilität sinkt (Id sinkt bei hohem Vgs). Bei niedrigem Vgs überwiegt Vth-Effekt (Id steigt), bei hohem Vgs der Mobilitätseffekt (Id sinkt). Der ZTC-Punkt (Zero Temperature Coefficient) liegt typisch bei Vgs ≈ 2-3V über Vth.