De geschiedenis:

Het basisprincipe van de MOSFET, oorspronkelijk IGFET genoemd, werd voor het eerst in een patent opgenomen door de Canadees J.Lilienfeld in 1925.
Onafhankelijk werd dit idee tien jaar later, in 1935, geopperd door O.Heil(Engeland). Door de ontoereikende materiaalkennis en de toenmalige stand van de techniek was men lange tijd niet in staat dit idee om te zetten in de praktijk. Het duurde tot begin jaren 1970 voor de MOSFET aan zijn echte opmars kon beginnen.
De eerste MOS schakelingen waren van het PMOS-type en werden gebruikt in toepassingen als rekenmachines. Daarop volgde een tweede fase in de revolutie die werd ingezet door de eerste Intel microprocessoren in 1972(de 4004) en in 1974(de 8080).
Deze processoren werden in NMOS uitgevoerd omdat daarmee een hogere snelheid behaald kon/kan worden. Rond dezelfde periode, in 1970, werden ook de eerste MOS geheugens gebouwd, met een tot dan toe ongekende densiteit van wel (4 Kilobit / chip).

De MOSFET Transistor

mosfet.png
Hierboven de algemeen toegepaste symbolen voor de MOSFET(transistor) in schakelingen, op finimuis.nl zijn deze symbolen ook in gebruik.
Op dezelfde wijze, als bij JFET-transistors zijn er voor de MOSFET-transistors eveneeens twee uitvoeringen.
De N-kanaal MOSFET en de P-kanaal MOSFET. Naast deze twee uitvoeringen zijn er ook nog een tweetal (standaard)typen van beide uitvoeringen, welke Enhanced(verijkings)-mode en Depletion(verarmings)-mode genoemd worden en als zodaning herkenbaar aan het gebruikte symbool.
mosfeta.png
Hierboven op de afbeelding, is het verschil tussen Enhanced(verijkings)-mode en Depletion(verarmings)-mode schematisch weergegeven in het symbool. Namelijk een gesloten lijn voor Enhanced-mode of onderbroken lijn voor Depletion-mode tussen de Drain en de Source.

Het verschil tussen Enhanced(verrijkings)-mode en Depletion(verarmings)-mode is kort gezegd, een normaal OPEN(Enhanced) en normaal DICHT(Depetion) status van de MOSFET, wanneer er geen gate-stroom loopt.

Een MOSFET-transistor, bezit gewoonlijk drie aansluitingen: de source(S), de drain(D) en de gate(G).
Hieronder staan de eerder aangegeven symbolen, met daarbij de namen van de aansluitingen.
mosfetb.png

Er worden ook zogenaamde Dual Gate-MOSFET-transistors gebruikt, deze bezitten vier aansluiting omdat er twee verschillende gate-aansluitingen zijn. Dit type zal verderop kort besproken worden.

Elders op de Transistor-pagina, is de reguliere FET-transistor werking besproken.
Bij een JFET vinden we een diode tussen de gate en het geleidingskanaal. Wanneer de aangelegde spanning de juiste polariteit heeft, dan is deze diode gesperd.
het is dus nodig dat de gatespanning negatief is bij een N-kanaal en dat de gatespanning positief is bij een P-kanaal JFET.
De gesperde diode tussen gate en geleidingskanaal zorgt er voor dat de gatestroom erg klein is (bijvoorbeeld 1 nanoAmpére).
Vanwege die erg kleine gatestroom betekent het dat de gelijkspanning-ingangsweerstand zeer hoog is (bij een gatespanning = 1 Volt is een ingangsweerstand in de orde van 1000 MegaOhm zeer realistisch.

Bij een MOSFET brengt men een zeer dun isolatielaagje aan tussen de gate en het geleidingskanaal. Dit isolatielaagje bestaat uit Metaal Oxide, waardoor de naam Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) is ontstaan.
Bij een MOSFET ontstaat de isolatie tussen gaten en kanaal dus niet langer door een polariteitsafhankelijke diodewerking.
Het moedwillig aangebrachte isolatielaagje is hier dan ook zowel voor positieve als voor negatieve spanningen isolerend.
Tevens is de Gelijkspanning-gatestroom van een MOSFET nog kleiner dan bij een reguliere JFET, namelijk enige Pico-Ampéres.
Daardoor is de gelijkspanning-ingangsweerstand aanzienlijk hoger dan bij een JFET U kunt hierbij denken aan bijvoorbeeld: 1012 Ohm, hetgeen zowel voor positieve als voor negatieve gatespanningen van toepassing is.

N-kanaal verarmings MOSFET

Op de afbeelding hieronder, staat schematisch de opbouw van de N-kanaal verarmings MOSFET weergegeven.
opbouwmosfet.png

Op bovenstaande afbeelding, ziet u als eerste dat de MOSFET vooral opgebouwd is uit een P-substraat waarin twee eilanden met sterk gedopeerd N-materiaal(N+) aangebracht zijn.
Aan het linker eiland van sterk gedopeerd N-materiaal is de source-elektrode(S) verbonden, en aan het rechter eiland van sterk gedopeerd N-materiaal is de drain-elektrode(D) verbonden.
Tussen de twee eilanden van sterk gedopeerd N-materiaal is een geleidend kanaal uit N-materiaal aangebracht.
Boven het N-geleidingskanaal is het eerder vermelde isolatielaagje bestaand uit siliciumoxide aangeduidt als oxidelaag aangebracht. Bovenop deze oxidelaag is de gate-elektrode(G) aangebracht.
Het P-substraat is verbonden met de bulk-elektrode(BULK). Opgemerkt moet worden dat het P-substraat verbonden is met de source(S) en niet de drain(D). In nagenoeg alle MOSFET-uitvoering, is de verbinding tussen source(S) en bulk(B) intern in het component uitgevoerd, daardoor zal de bulk-elektrode in principe nooit naar buiten worden uitgevoerd.

P-kanaal verarmings MOSFET

De bouw van de P-kanaal verarmings MOSFET is sterk overeenkomstig aan de bouw van de N-kanaal verarmings MOSFET. Het volstaat namelijk het P-substraat te vervangen door een N-substraat, de N+ eilanden te vervangen door P+ eilanden bestaande uit sterk gedopeerd P-materiaal, en het N-geleidingskanaal te vervangen door een P-geleidingskanaal.
Op de afbeelding hieronder, staat schematisch de opbouw van de P-kanaal verarmings MOSFET weergegeven.
opbouwmosfet1.png

N-kanaal verrijkings MOSFET

Een N-kanaal verrijkings MOSFET is qua bouw gelijk aan de N-kanaal verarmings MOSFET, waarbij het N-geleidingskanaal ontbreekt.
Op de afbeelding hieronder, staat schematisch de opbouw van de N-kanaal verrijkings MOSFET weergegeven.
opbouwmosfet2.png

P-kanaal verrijkings MOSFET

Een P-kanaal verrijkings MOSFET is qua bouw gelijk aan de P-kanaal verarmings MOSFET, waarbij het P-geleidingskanaal ontbreekt.
Op de afbeelding hieronder, staat schematisch de opbouw van de P-kanaal verrijkings MOSFET weergegeven.
opbouwmosfet3.png

De werking van de verarmings(depletion-mode) MOSFET-transistor.

Een verarmings MOSFET welke veel minder toegepast zal worden dan de verrijkings MOSFET moet gestuurd worden zoals een JFET. Om de drainstroom ID van nul naar de maximum toegelaten waarde te sturen, is het nodig om een gate/source-spanning VGS (die steeds de tegengestelde polariteit heeft van de drain/source-spanning VDS) te laten variëren.
Op de afbeelding hieronder, bekijken we de spanning / stroom-karakteristiek van een N-kanaal verarmings MOSFET.
mosfetusverarm.png
De spanning VDS is positief en VGS is negatief. Bij een VGS = 0(nul), zal het geleidings-kanaal geleiden zodat er een drainstroomID vloeit.
Naarmate VGS negatiever wordt, daalt de drainstroom ID.
Dit is verklaard, omdat de negatief geladen drain negatieve ladingen zal afstoten waardoor de geleidbaarheid in het N-kanaal afneemt en daardoor de drainstroom ID effectief daalt.
Omdat de verarmings MOSFET in rust VGS = 0 in normaal DICHT situatie verkeerd, kan deze via een VGS-spanning perfect als schakelaar dienst doen.
De groene pijlen (geheel rechts op bovenstaande afbeelding, verduidelijken het schakelmoment.
In onderstaande tabel zijn de schakel-statussen weergegeven voor de beide verarmings MOSFET types.
MOSFET type VGS met positieve VE VGS zonder VE VGS met negatieve VE
verarming N-kanaal DICHT (ON) DICHT (ON) OPEN (OFF)
verarming P-kanaal OPEN (OFF) OPEN (OFF) DICHT (ON)

Samengevat:

Bij een N-kanaal verarmings MOSFET zijn bij een normale werking de spanningen VDS positief en VGS negatief.
Bij een P-kanaal verarmings MOSFET zijn bij een normale werking de spanningen VDS negatief en VGS positief.

De werking van de verrijkings(enhanced-mode) MOSFET-transistor.

Een verrijkings MOSFET welke vaker toegepast zal worden dan de verarmings MOSFET is niet geleidend. ID = 0(nul) bij een VGS = 0(nul).
Er is namelijk geen geleidingskanaal aanwezig tussen de eilanden welke zijn verbonden met de drain(d) en de source(S).
Om te zorgen dat er wel een stroom ID zou kunnen vloeien, moet er een geleidingskanaal gevormd worden. Bij een N-kanaal MOSFET vereist dit een positief geladen gate die negatief geladen deeltjes aantrekt die zo een N-geleidingskanaal vormen.
Er vloeit nu effectief een stroom ID wanneer VDS en VGS allebei positief zijn.

Bij een P-kanaal MOSFET vereist dit een negatief geladen gate die positief geladen deeltjes aantrekt die zo een P-geleidingskanaal vormen.
Er vloeit nu effectief een stroom ID wanneer VDS en VGS allebei negatief zijn.

Opgemerkt moet worden dat om een verrijkings MOSFET te doen geleiden de spanningen VDS en VGS een zelfde polariteit moeten hebben terwijl deze bij een verarmings MOSFET een verschillende polariteit hebben.
Vastgesteld is dat bij een verrijkings MOSFET VGS = 0(nul), er dan eveneens een ID = 0(nul).
In de datasheet van een verrijkings MOSFET geeft men drempelspanning of treshold-spanning aan, dit is de VGS-spanning vanaf wanneer er een drainstroom ID begint te vloeien.
Op de afbeelding hieronder, bekijken we de spanning / stroom-karakteristiek van een N-kanaal verarrijkings MOSFET.
mosfetusverrijk.png
Geheel rechtsonderaan, staat het treshold-gebied weergeven. Dit gebied verschilt bij de verkrijgbare MOSFET's. U kunt hierbij denken aan spanningen tussen 0,5 tot wel 4 Volt.
Naarmate de spanning VGS stijgt, zal er een breder N-geleidingskanaal worden gevormd en zal ID stijgen. De ID mag uiteraard niet boven een bepaalde maximum waarde IDmax stijgen. Deze waarde is eveneens terug te vinden in de datasheet van de desbetreffende MOSFET-transistor.

Omdat de verrijkingss MOSFET in rust VGS = 0 in normaal OPEN situatie verkeerd, kan deze via een VGS-spanning perfect als versterker dienst doen.
De groene pijlen (geheel rechts op bovenstaande afbeelding, verduidelijken het schakelmoment.
In onderstaande tabel zijn de schakel-statussen weergegeven voor de beide verrijkings MOSFET types.
MOSFET type VGS met positieve VE VGS zonder VE VGS met negatieve VE
verrijking N-kanaal DICHT (ON) OPEN (OFF) OPEN (OFF)
verarming P-kanaal OPEN (OFF) OPEN (OFF) DICHT (ON)

Toepasbaarheid:

MOSFET’s zijn veel gebruikte halfgeleideronderdelen.
Men vindt dan ook talloze reeksen Integrated Circuits(IC’s) welke uit MOSFET’s opgebouwd zijn.
Integrated Circuits worden beknopt in een apart hoofdstuk op deze site behandeld.
In de toepasbaarheid van MOSFET's zijn onder meer de digitale Integrated Circuits zeer belangrijk. In een dergelijk Integrated Circuit worden bijvoorbeeld logische poorten ( AND, OR, NAND, NOR ) opgebouwd door <(verrijkings)N-kanaal MOSFET’s te combineren met P-kanaal(verrijkings)MOSFET’s. Dit geeft de zogenaamde CMOS-familie van Integrated Circuits.

Beveiligen van MOSFET-transistors.

De isolerende laag siliciumoxide tussen gate en het geleidingskanaal is zeer hoogohmig en zeer dun.
Wordt VGS te hoog (bijvoorbeeld meer dan 15 Volt), dan zal deze laag doorslaan waardoor de MOSFET definitief defect raakt.
Het louter aanraken van de gate van de MOSFET (met de vinger, een meetprobe, een soldeerbout, of iets dergelijks) kan al een voldoende spanningspiek induceren om de MOSFET blijvend te beschadigen.
Ook een verpakking in zeer goed isolerende stoffen kan de MOSFET beschadigen (op goede isolatoren kunnen gemakkelijk grote elektrostatische spanningen ontstaan).
Om de praktische handelbaarheid groter te maken, worden de huidige MOSFET’s vaak van inwendige zenerdiodes(tussen gate en source) voorzien, welke beveiligingszeners worden genoemd. Omdat ze minuscuul klein zijn, en intern in de MOSFET-omhulling worden geplaatst.
mosfetbeveil.png
Op bovenstaande afbeelding, zijn de interne beveiligingszeners in het grijs getekend (inclusief de aansluitingen naar de gate en source.
Zoals weergegeven op de afbeelding zal een MOSFET beveiligd worden door tussen de gate en de source twee zenerdiodes te plaatsen die in anti-serie geschakeld zijn.
Wanneer deze twee diodes een zenerspanning van 10 Volt hebben, dan betekent dit dat de spanning VGS slechts tussen –10,7 Volt en +10,7 Volt kan variëren.
Bij VGS-spanningen tussen -10 Volt en +10 Volt blijven de zenerdiodes gesperd en werkt de MOSFET nagenoeg alsof de zenerdiodes niet aanwezig zijn(wel zal de aanwezigheid van de zenerdiodes de capaciteit Cgate met enkele picoFarads verhogen en zal de de gelijkspanning-gatestroom een klein beetje stijgen).
De eerder vermelde aanrakingen en verpakkingen zullen de MOSFET niet meer beschadigen, hetgeen het verwerken van MOSFET's een stuk eenvoudiger maakt.
Het is echter wel duidelijk dat de mini-zenerdiodes slechts een beperkte stroom(bijvoorbeeld maximum 100 microAmpére) kunnen verdragen. Hierdoor ontstaat de situatie dat men geen laagohmige spanningsbron van meer dan 10 Volt tussen de gate en de source mag aansluiten.

Vermogen MOSFET's

Naast de klein-signaal MOSFET’s zoals de SSM3K16FU van Toshiba in een SOT23 Surface Mounted Device(SMD)omhulling welke bijvoorbeeld een IDmax van 100 milliAmpére, een VDGmax van 20 Volt, en een PD van 0,15 Watt heeft bestaan er ook medium-power MOSFET's en power MOSFET's.
Klik hier voor de datasheet van bovengenoemde MOSFET
bss131.png
Hierboven ziet u een afbeelding van een SOT23-omhulling, waarin de BSS131 MOSFET verkrijgbaar is bij electronica onderdelen leveranciers.

Een Medium power MOSFET zoals de IRF510 heeft bijvoorbeeld een IDmax = 4 Ampére, een VDSmax = 100 Volt, en een Ptot = 42 Watt.
Klik hier voor de datasheet van bovengenoemde Medium POWER MOSFET
irf510.png
Hierboven ziet u een afbeelding van een IRF510 MOSFET, welke is voorzien van een gestempelde codering (waarover later meer).

Een power MOSFET zoals de SCT30N120 heeft bijvoorbeeld een IDmax = 45 Ampére, een VDSmax = 1200 Volt, en een Ptot = 270 Watt(mits voldoende koeling).
Klik hier voor de datasheet van bovengenoemde POWER MOSFET
to247-3.png
Hierboven ziet u een afbeelding van een TO247-3-omhulling, waarin de SCT30N120 POWER MOSFET verkrijgbaar is bij electronica onderdelen leveranciers.

U kunt deze power MOSFET’s bekijken als zijnde een parallelschakeling van vele kleine MOSFET’s.
afhankelijk van de interne opbouw en ruimtelijke indeling van de kleine MOSFET's, worden deze power MOSFET’s soms ook V-MOSFET’s, HEX-MOSFET’s of D-MOSFET’s genoemd.
De diverse fabrikanten gebruiken verschillende inwendige structuren om tot een praktische power-MOSFET te komen, maar voor de gebruiker is de interne opbouw en dus ook de bijhorende V-, HEX- of D- benaming van geen enkel belang.

Dubbele gate MOSFET's

Naast de voorgaande uitvoeringen bestaan er ook MOSFET’s met twee GATES( bijvoorbeeld de NTE455).
dualgatemosfet.png
Hierboven het algemeen toegepaste symbool voor de dubbele gate MOSFET(transistor) in schakelingen, op finimuis.nl is dit symbool ook in gebruik.
Klik hier voor de datasheet van de NTE455 dual gate MOSFET
Bovengenoemde MOSFET-transistors zijn de zogenaamde dual gate MOSFET’s welke bijna uitsluitend bij hoge frequenties(radiofrequenties) gebruikt worden.
In deze omgevingen kunnen ze schakelingen met een erg geringe inwendige feedback en een lage kruismodulatie en intermodulatie opleveren.
Tevens is ook mogelijk om met behulp van deze dual gate MOSFET’s mogelijk een regelbare versterking te verkrijgen.

Codering van FET transistors.

Omdat er wereldwijd diverse fabrikanten MOSFET transistors produceren, zijn er Internationale standaarden ontwikkeld.

JEDEC: Amerikaanse codering opgesteld door de Joint Electronic Device Engineering Council. De JEDEC-code levert bijvoorbeeld de MOSFET transistor code als 2N7000 op.
JIS: Japanse codering, opgesteld door de Japanese Industrial Standard. De JIS-code zadelt de wereld op met de N-kanaal MOSFET zoals 3SK140.
Pro-electron: Europese standaard codering. De Pro-electron code levert een DMOSFET met de benaming als BSS131 op.

Hieronder worden de 3 bovengenoemde standaarden/coderingen verklaard, LET OP: deze codering voor voor meerde soorten Halfgeleiders toegepast, en niet alleen voor transistors.

de JEDEC-codering:

De samenstelling van de codering: CIJFER - N - Serienummer - (eventueel achtervoegsel)
Het cijfer geeft het aantal PN-overgangen van de halfgeleider aan volgens onderstaande tabel:

Aantal PN-overgangen Het soort halfgeleider
2 Bipolaire en/of JFET TRANSISTOR
3 (dual gate) MOSFET

De letter N welke direct na het cijfer komt is bij JEDEC altijd een N.

Het serienummer welke na de letter N komt kan liggen tussen 100 tot en met 9999 en geeft u geen extra informatie over het component

de JIS-codering:

De samenstelling van de codering: CIJFER - 2 LETTERS - Serienummer - (eventueel achtervoegsel)
Het cijfer geeft het aantal PN-overgangen van de halfgeleider aan volgens onderstaande tabel:

Aantal PN-overgangen Het soort halfgeleider
2 Bipolaire en/of JFET TRANSISTOR
3 (dual gate) MOSFET TRANSISTOR

De 2 letters welke direct na het cijfer volgen geven bij JIS het toepassingsgebied aan, volgens onderstaande tabel:
Letters Toepassingsgebied
SJ P-kanaal Field Effect Transistor of MOSFET
SK N-kanaal Field Effect Transistor of MOSFET

Het serienummer welke na de twee letters komt kan liggen tussen 10 tot en met 9999 en geeft u geen extra informatie over het component
Het eventuele achtervoegsel (welke niet verplicht is), heeft te maken met de goedkeuring voor bijvoorbeeld Militaire toepassingen.

LET OP:

omdat codering van Japanse componenten altijd met 2S begint, kan dit soms worden weggelaten bij het stempelen. Een 3SK140 MOSFET bijvoorbeeld, kan als K140 zijn gestempeld.

de Pro-Electron-codering:

De samenstelling van de codering: LETTER - LETTER - (soms)LETTER - Serienummer - (eventueel achtervoegsel)
De eerste letter geeft het materiaal weer, waauit de halfgeleider opgebouwd is, volgens onderstaande tabel:

Letter Soort materiaal
A Germanium, met een doorlaatspanning van 0,6 tot 1,0 Volt.
B Silicium, met een doorlaatspanning van 1,0 tot 1,3 Volt
C Gallium arsenide, met een doorlaatspanning van meer dan 1,3 Volt
R Materialen voor fotogevoelige en magnetisch gevoelige halfgeleiders, bijvoorbeeld cadmium sulfide

De tweede letter geeft informatie over het toepassingsgebied van het component, volgens onderstaande tabel:

Letter Toepassing
A Algemene laagvermogen diode voor hoogfrequent toepassingen, mengschakelingen en schakeltoepassingen
B Diode met veranderlijke capaciteit, varicap
C Klein signaal transistor voor audio toepassingen met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
D Vermogenstransistor voor audio toepassingen met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
E Tunnel diode
F Klein signaal hoogfrequent transistor met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
G Diode voor hoogfrequente oscillatie- toepassingen
H Component dat reageert op variaties in een magnetisch veld, zoals Hall-elementen
L Vermogenstransistor voor hoogfrequent toepassingen met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
N Optische koppelaar (optocoupler)
P Component dat gevoelig is voor straling
Q Diode die straling uitzendt, zoals een Light Emitting Diode (LED)
R Laagvermogen thyristor of triac met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
S Laag vermogen schakel Bipolaire transistor of MOSFET, met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
T Hoogvermogen thyristor of triac met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
U Hoogvermogen transistor voor schakel toepassingen met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
X Diode als vermenigvuldiger gebruikt, bijvoorbeeld een varactor
Y Vermogensdiode, zoals gelijkrichter en booster
Z Zenerdiode, referentiediode, spanningsbegrenzende diode

De(eventuele) 3e letter ,geeft aan dat de halfgeleider ontwikkeld is voor professionele of militaire toepassingen.Hiervoor worden de letters S, T, V, W, X, Y of Z gebruikt waarbij geen verklaring te vinden is voor de keuze van een bepaalde letter.

Het serienummer welke na de letter(s) komt kan liggen tussen 10 tot en met 9999 en geeft u geen extra informatie over het component.

Bovenstaande coderingen worden toegepast op componenten welke kunnen worden voorzien van een bestempeling met de codering. Omdat MOSFET-transistors op velerlei gebied worden toegepast, en de afmetingen van de componenten steeds kleiner worden zal er ook veelvuldig gebruik worden gemaakt van een SMD-code.
Deze Surface Mounted Decice-codering, wijkt af van bovenstaande coderingen. Om toch met behulp van een vergrootglas de gevonden codering te kunnen omzetten, is via de volgende link: Klik hier voor het SMD-codebook een engelstalig SMD codeboek beschikbaar.

Voor detail-informatie, kunt u via een zoekmachine op internet voor nagenoeg iedere MOSFET datasheet-informatiebladen vinden.


Laatste update : 5 maart 2015

Terug naar de Transistor pagina
Terug naar Component informatie
Terug naar Startpagina
Email aan Finimuis.nl