Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch , 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 Schaltungen 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.

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.

Geschichte mini|hochkant=1.2|Verschiedene Typen von MOSFETs in unterschiedlichen Gehäusen Das Funktionsprinzip von MOSFETs ist etwa 20 Jahre älter als das des Bipolartransistors. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 von Julius Edgar Lilienfeld und 1934 von Oskar Heil. Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs gefertigt, die mit dem Materialsystem Silizium/Siliziumdioxid einen Fertigungsprozess entwickelten, mit dem sich eine reproduzierbar gute Halbleiter-Isolator-Grenzfläche herstellen ließ. Damit verbunden war die Abkehr vom Germanium als Basismaterial und steigende Anforderungen an die Fertigungsbedingungen (Reinräume, strenges Temperaturregime).

Ab Anfang bzw. Mitte 1970 kam dotiertes Polysilizium als Gate-Material zum Einsatz und verdrängte damit aufgedampftes Aluminium. Seit der Jahrtausendwende wurde verstärkt an der neuartigen High-k+Metal-Gate-Technik geforscht und diese 2007 erstmals in der Massenproduktion eingesetzt.

Name Der Name Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor geht auf die ursprüngliche Schichtfolge des Gate-Schichtstapels zurück. Bis Anfang der 1980er-Jahre dominierte die Verwendung von dem Metall Aluminium als Gate-Material, das durch eine nichtleitende Siliziumdioxidschicht als Isolator vom leitfähigen Kanal im Siliziumsubstrat (Halbleiter) getrennt war. In den 1980er-Jahren verbreiteten sich zunehmend Prozesse, die dotiertes Polysilizium als Gate-Material nutzten. Dies ist bis heute die häufigste Bauform handelsüblicher CMOS-Schaltkreise. Da kein Metall verwendet wird, ist die Bezeichnung MOSFET nicht mehr korrekt, wird aber weiterhin als Synonym genutzt.

Mit zunehmender Miniaturisierung zeigen MOS-Transistoren mit Polysilizium-Gate elektrische Nachteile, denn bei bestimmten Beschaltungen bildet sich ein Verarmungsbereich im Gate aus, die sogenannte Polysiliziumverarmung. Daher wurde seit Anfang der 2000er-Jahre nach alternativen Gate-Materialien wie z. B. Übergangsmetalle geforscht. Parallel dazu wurde auch nach alternativen Isolatormaterialien mit hoher Dielektrizitätskonstante, den sogenannten High-k-Materialien, geforscht, um die steigenden Leckströme zu reduzieren. 2007 führte Intel als erster Hersteller die Kombination beider Änderungen als High-k+Metal-Gate-Technik ein; einige weitere Hersteller von Hochleistungsprozessoren folgten. In diesen Fällen ist die Bezeichnung MOSFET daher wieder korrekt, dennoch ist es oft günstiger, die neutrale Bezeichnung MISFET (Metall-Nichtleiter-Halbleiter-FET) oder ganz allgemein IGFET (FET mit isoliertem Gate) zu verwenden.

Aufbau und Funktionsweise mini|hochkant=1.2|n-Kanal-MOSFET als spannungs­gesteuerter Widerstand zum Ein- und Ausschalten einer Lampe

Ein MOSFET ist ein aktives Bauelement mit mindestens drei Anschlüssen (Elektroden): G (, dt. Steuerelektrode), D (, dt. Abfluss), S (, dt. Quelle). Bei einigen Bauformen wird ein zusätzlicher Anschluss B (, Substrat) nach außen geführt, der mit der Chiprückseite verbunden ist. Da eine Spannung an der Chiprückseite zusätzliche elektrische Felder erzeugt, die auf den Kanal wirken, verschiebt sich, wenn man die Spannung am B-Anschluss ändert, die Threshold-Spannung des MOSFETs. Meistens ist das Substrat jedoch intern mit dem Source verbunden.

Wie andere Feldeffekttransistoren wirkt der MOSFET wie ein spannungsgesteuerter Widerstand, das heißt, über die Gate-Source-Spannung UGS kann der Widerstand zwischen Drain und Source RDS und somit der Strom IDS (vereinfacht ID) durch RDS um mehrere Größenordnungen geändert werden. Der Schlüssel zum Verständnis dieser Widerstandsänderung in einer MOS-Struktur liegt in der Entstehung (Anreicherungstypen) bzw. Abschnürung (Verarmungstypen) eines leitenden Kanals unter dem Gate (Details siehe unten).

Grundtypen Ähnlich wie der Bipolartransistor kann auch der MOSFET in die zwei grundlegenden Varianten p-Typ (auch p-leitend, p-Kanal oder PMOS) und n-Typ (auch n-leitend, n-Kanal oder NMOS) eingeteilt werden. Werden, beispielsweise in integrierten Digitalschaltungen, beide Typen gemeinsam verwendet, spricht man von CMOS (engl.: ). Zusätzlich gibt es von beiden Varianten jeweils zwei Formen, die sich im inneren Aufbau und in den elektrischen Eigenschaften unterscheiden: Verarmungstyp (engl.: ) – auch selbstleitend, normal-an, normal leitend Anreicherungstyp (engl.: ) – auch selbstsperrend, normal-aus, normal sperrend In der Praxis werden mit großer Mehrheit Anreicherungstypen (=normal sperrend) eingesetzt.

Grundsätzlicher Aufbau und physikalische Funktion Als Beispiel sei der selbstsperrende n-Kanal-MOSFET (Anreicherungstyp) gegeben.

Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall (Substrat). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drain-Anschluss erzeugen. Zwischen den beiden Gebieten befindet sich weiterhin das Substrat, wodurch eine npn-Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt (vgl. npn-Transistor: Ohne Basisstrom ist der Transistor gesperrt). Genau über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne, widerstandsfähige Isolierschicht (Dielektrikum, meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Das Dielektrikum trennt die darüberliegende Gate-Elektrode vom Silizium (genauer vom Kanalgebiet). Als Gate-Material wurde bis Mitte der 1980er Aluminium verwendet, das von n+- bzw. p+-dotiertem (entartetem) Polysilizium (Abkürzung für polykristallines Silizium) abgelöst wurde.

Durch diesen Aufbau bilden Gate-Anschluss, Dielektrikum und Bulk-Anschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer positiven Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Durch das elektrische Feld wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Defektelektronen). Das wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung“ genannt. Es entsteht eine Raumladungszone an der Grenzschicht zum Oxid mit negativer Raumladung. Ab einer bestimmten Spannung Uth (engl. , Schwellspannung) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von Minoritätsträgern, wodurch das eigentlich p-dotierte Substrat nahe an der Isolierschicht n-leitend wird. Dieser Zustand wird starke „Inversion“ genannt. Im Bändermodell erklärt, führt die erhöhte Gate-Spannung zu einer Bandbiegung von Leitungs- und Valenzband an der Grenzschicht. Das Ferminiveau liegt ab der kritischen Spannung näher am Leitungsband als am Valenzband. Das Halbleitermaterial ist somit invertiert. Der entstandene dünne n-leitende Kanal verbindet nun die beiden n-Gebiete Source und Drain, wodurch Ladungsträger (beinahe) ungehindert von Source nach Drain fließen können.

mini|hochkant=2.5|links|Operationsbereiche eines n-Kanal-MOSFET

Prinzipiell sind Source- und Drain-Anschluss zunächst gleichwertig. Meist ist der Aufbau aber nicht symmetrisch, um ein besseres Verhalten zu erzielen. Außerdem wird bei den meisten Bauformen Bulk intern elektrisch mit Source verbunden, da ein Potentialunterschied zwischen Source und Bulk die Eigenschaften des Transistors (vor allem die Schwellenspannung) negativ beeinflusst (). Auf die grundlegende Funktion hat diese Verbindung keinen Einfluss. Allerdings entsteht zusätzlich eine Diode zwischen Bulk- und Drain-Anschluss, die parallel zum eigentlichen Transistor liegt. Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den p-n-Übergang. Diese Inversdiode ist als Pfeil im Schaltsymbol des MOSFETs dargestellt. Er zeigt beim n-Kanal-MOSFET vom Bulk-Anschluss zum Kanal.

Zuordnung der Source- und Drain-Gebiete bei PMOS und NMOS mini|hochkant=1.2|CMOS-Inverter

Source bezeichnet den Anschluss, von dem die für den Ladungstransport verantwortlichen Ladungsträger (Majoritätsladungsträger) im leitenden Fall in Richtung des Drain-Anschlusses driften.

Beim p-Kanal-MOSFET (PMOS, PMOSFET) bilden Defektelektronen (Löcher) die Majoritätsladungsträger, sie fließen in Richtung der technischen Stromrichtung. Bei der Beschaltung von p-Kanal-MOSFET ist das Source-Potential (+, näher an gelegen) größer als das Drain-Potential (−; näher an gelegen).

Beim n-Kanal-MOSFET (NMOS, NMOSFET) bilden hingegen Elektronen die Majoritätsladungsträger. Sie fließen entgegen der technischen Stromrichtung. Bezüglich des elektrischen Potentials ist daher die Lage von Source und Drain entgegengesetzt zum p-Kanal-MOSFET. Das heißt, das Source-Potential (−; näher an gelegen) ist geringer als das Drain-Potential (+; näher an gelegen).

Varianten