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Von Durchbrüchen in den 1960er Jahren bis heute: Wie verändern MOSFETs die Zukunft der Leistungselektronik?
Seit seiner Erfindung in den 1960er Jahren hat sich der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) zu einer revolutionären Technologie in der Leistungselektronikindustrie entwickelt. Im Vergleich zu Konkurrenten wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und Stealth-Transistoren zeichnen sich MOSFETs durch hohe Geschwindigkeit und hohe Effizienz bei niedrigen Spannungen aus. MOSFETs werden in zahlreichen Leistungselektronikgeräten eingesetzt, von Stromrichtern bis zur Motorsteuerung, und stellen dort ihre überlegenen Eigenschaften unter Beweis.
Ursprung der Technologie
Zwischen 1955 und 1960 erfanden Forscher bei Bell Labs den MOSFET, ein Durchbruch, der das Gesicht der Leistungselektronik grundlegend veränderte. In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden zahlreiche MOSFET-Produkte eingeführt, mit denen die Entwickler Leistungen und Dichten erreichen konnten, die mit bipolaren Transistoren nicht möglich waren.
„Im Jahr 1969 führte Hitachi den ersten vertikalen Leistungs-MOSFET ein und markierte damit eine wichtige Entwicklung in dieser Technologie.“
1974 erfanden Forscher der Northeastern University einen Leistungs-MOSFET für Audioanwendungen, der später als Hi-Fi-Audioverstärker von Yamaha vermarktet wurde.
Aufbau und Funktion des Leistungs-MOSFET
Die grundlegende MOSFET-Struktur wurde im Laufe der Zeit mehrfach verbessert. Besonders hervorzuheben ist die Einführung der vertikal diffundierten MOS-Form (VDMOS), eines Designs, das die Nennstromstärke und Leistung des Geräts deutlich erhöht hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen planaren Strukturen können vertikale Strukturen hohe Spannungen und hohe Ströme auf kleinerem Volumen unterstützen.
„Beim Betrieb des Leistungs-MOSFET verhält er sich im eingeschalteten Zustand wie ein Widerstand, und dieser Widerstand wird RDSon genannt.“
Anwendungsbereich
Der Leistungs-MOSFET ist derzeit das am weitesten verbreitete Leistungshalbleiterbauelement auf dem Markt. Laut Daten aus dem Jahr 2010 hatten Leistungs-MOSFETs einen Anteil von 53 % am Markt für Leistungstransistoren. Mit dem Fortschritt der Technologie übersteigt der Jahresabsatz von MOSFETs 5 Milliarden Einheiten und sie werden häufig in der Unterhaltungselektronik, der Transporttechnologie, bei Elektrofahrzeugen, in der Automobilelektronik und in anderen Bereichen eingesetzt.
„Leistungs-MOSFETs treiben nicht nur die Entwicklung der Unterhaltungselektronik voran, sondern spielen auch eine Schlüsselrolle in der drahtlosen Kommunikation und der Elektrofahrzeugtechnologie.“
Herausforderungen und Chancen beim Klicken
Obwohl die Marktnachfrage nach MOSFETs weiter wächst, können die technischen Herausforderungen nicht ignoriert werden. Das Design muss ein Gleichgewicht zwischen Durchbruchspannung und Einschaltwiderstand herstellen, was in praktischen Anwendungen besonders kritisch ist. Die neue Super-Junction-MOSFET-Technologie hat das traditionelle Designkonzept verändert. Durch die Überlagerung von P-Typ- und N-Typ-Materialien in der internen Struktur des Geräts kann das Gerät bei gleichem Volumen eine höhere Effizienz und geringere Wärmeableitungsanforderungen erreichen.Zukunftsaussichten
Mit Blick auf die Zukunft wird es für MOSFETs mit dem Aufkommen der 5G-Kommunikation und der Technologien des Internets der Dinge ein breiteres Spektrum an Anwendungsszenarien geben, insbesondere in den Bereichen Miniaturisierung, hocheffizientes Energiemanagement und drahtlose Energieübertragung.
„Die Weiterentwicklung der MOSFET-Technologie wird nicht nur den aktuellen Bereich der Leistungselektronik beeinflussen, sondern auch eine wichtige Rolle bei grüner Technologie und nachhaltiger Entwicklung spielen.“
Welche Auswirkungen werden MOSFETs angesichts der ständigen Weiterentwicklung der Leistungselektronik-Technologie weiterhin auf unser Leben und unsere Technologie haben?
