Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor

Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET, auch MOS-FET, selten MOST) ist eine Bauform eines Transistors, d. h. eine Art elektronisches Ventil. In der Familie der Feldeffekttransistoren zeichnen sich MOSFETs durch ein isoliertes Gate (der Kontakt, mit dem das „Ventil“ angesteuert wird) aus einem Oxid aus und gehören damit zu den Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET) bzw. Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MISFET).

MOSFETs basieren auf einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur, d. h. einem schichtweisen Aufbau aus einer isolierten metallischen Gate-Elektrode, einem Halbleiter und dem dazwischen befindlichen oxidischen Dielektrikum (also einem Isolierstoff). In modernen integrierten Schaltung wurde im Laufe der technischen Entwicklung das metallische Gate durch hochdotiertes Polysilizium mit metallähnlichen elektrischen Eigenschaften ersetzt. Trotz des abweichenden Aufbaus wurde auch für diese Variante die Bezeichnung MOSFET weitgehend beibehalten, siehe auch Abschnitt Name.

Wie bei allen Feldeffekttransistoren erfolgt die Steuerung des Stromflusses im Halbleiterbereich zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen Drain und Source über eine elektrische Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) bzw. Steuerpotential (Gate-Potential), vgl. Abschnitt Aufbau und Funktionsweise. Daher sind MOSFETs spannungsgesteuerte aktive elektrische Bauelemente und funktionieren grundlegend anders als bipolare Transistoren, einer anderen bedeutenden Gruppe von Transistoren, die stromgesteuert arbeiten, d. h., umso mehr elektrischen Strom durchlassen, je mehr Strom in die Steuerelektrode fließt.

Aufgrund fertigungstechnischer Vorteile ggü. anderen Varianten sind MOSFETs mit Silizium als Halbleitermaterial seit den 1970er Jahren zum meistverwendeten Transistortyp für analoge und digitale integrierte Schaltungen geworden. Hier kommen sie unter anderem als Teil von Logik-Gattern in digitalen Schaltungen zum Einsatz. Die Entwicklung in diesem Bereich ist für die stetige Skalierung der Transistoren bekannt. Hier konnten die Packungsdichte für diese Art von Transistoren um Größenordnungen erhöht und durch Massenfertigung die Herstellungskosten gering gehalten werden, so dass beispielsweise im Jahr 2008 in einem einzelnen Prozessor bis zu 1,9 Milliarden Transistoren verbaut wurden. Durch Nutzung neuer Varianten, wie den FinFETs, konnte die Skalierung weiter fortgesetzt werden. So ist es in 7-nm-Technik möglich, über 54 Milliarden Transistoren in einem Prozessor (Nvidia GA100 Ampere) zu verbauen.^[1]

Auch bei anderen Anwendungen, wie Schalten von hohen Strömen oder mit hohen Spannungen (vgl. Leistungstransistor) sind Silizium-MOSFETs in vielen Bereichen vertreten oder gar Standard, andere Materialien sind Galliumarsenid oder auch organische Halbleiter. Zunehmend werden jedoch die physikalischen Grenzen von Silizium ausgereizt, und für besondere Anwendungen sind heute andere Halbleitermaterialien mit für diese Anwendung besseren Eigenschaften als Silizium interessant, wie Verbindungshalbleiter oder Halbleiter mit größeren Bandlücken, wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), auch wenn die Fertigungskosten derzeit noch beträchtlich höher liegen.

1. ↑ Jared Walton: Nvidia Unveils Its Next-Generation 7nm Ampere A100 GPU for Data Centers, and It's Absolutely Massive In: Tom’s Hardware, 14. Mai 2020  Vorlage:Cite news: Der Parameter language wurde bei wahrscheinlich fremdsprachiger Quelle nicht angegeben.