MOSFET-Rechner für Drainstrom und Leistung

Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor steuert den Drainstrom durch ein elektrisches Feld, das von seiner Gatespannung erzeugt wird. Das Gate ist vom Kanal isoliert, sodass bei einem idealen MOSFET praktisch kein stationärer Gatestrom fließt. Spannungssteuerung, hoher Eingangswiderstand und skalierbare Bauweise machen MOSFETs zu Grundbausteinen digitaler Logik, analoger Verstärker, Schaltnetzteile, Motorantriebe und zahlreicher eingebetteter Systeme. Dieser Rechner wendet das quadratische Langkanalmodell auf einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET an. Zunächst berechnet er die Übersteuerungsspannung als Gate-Source-Spannung minus Schwellenspannung. Ist sie null oder negativ, gilt der Kanal als ausgeschaltet und das Bauteil befindet sich im Sperrbereich. Ist die Drain-Source-Spannung positiv, aber kleiner als die Übersteuerungsspannung, arbeitet das Bauteil im Trioden- oder linearen Bereich. Ab einer Drain-Source-Spannung in Höhe der Übersteuerungsspannung schnürt sich der Kanal nahe dem Drain ab, und das Modell verwendet die Sättigungsgleichung. Der Transkonduktanzparameter k fasst Ladungsträgerbeweglichkeit, Oxidkapazität und das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge zusammen. Hier wird er in Milliampere pro Volt zum Quadrat eingegeben, sodass der Strom in Milliampere und die Steilheit in Millisiemens berechnet werden. Die Kanallängenmodulation lambda berücksichtigt den leichten Anstieg des Sättigungsstroms mit zunehmender Drainspannung. Setze lambda für das ideale quadratische Modell auf null oder nutze einen positiven, an eine Ausgangskennlinie des Datenblatts angepassten Wert. Die Verlustleistung ist Drainstrom mal Drain-Source-Spannung. Der Rechner wandelt Milliampere vor der Anzeige in Watt in Ampere um. Dies erfasst nur den statischen Kanalbeitrag. Die praktische thermische Auslegung muss auch Schaltverluste, Gate-Ansteuerverluste, Diodenleitung, thermischen Gehäusewiderstand, Umgebungsbedingungen und transiente Lasten berücksichtigen. Vergleiche den Arbeitspunkt immer mit dem sicheren Arbeitsbereich des Bauteils, statt dich nur auf den beworbenen maximalen Strom zu verlassen. Reale Leistungs-MOSFETs und integrierte Kurzkanalbauteile können erheblich von den einfachen Gleichungen abweichen. Die Temperatur verändert Schwellenspannung und Einschaltwiderstand, der Body-Effekt verschiebt die Schwelle bei unterschiedlichen Source- und Substratpotenzialen, und bei hohen Feldstärken sinkt die Beweglichkeit. Übertragungskennlinien im Datenblatt, SPICE-Modelle und gemessene Bauteilstreuungen eignen sich besser für die abschließende Prüfung. Das quadratische Ergebnis bleibt für Lernzwecke, erste Bias-Entwürfe und das Verständnis des Einflusses von Gate-Übersteuerung und Drainspannung auf den Betriebsbereich wertvoll.