So nutzen Sie den MOSFET-Rechner
Der MOSFET-Rechner ermöglicht es Ihnen, den Arbeitspunkt, die Steuerspannungen und den resultierenden Drainstrom eines Feldeffekttransistors schnell und zuverlässig zu analysieren.
- Kanaltyp auswählen — Wählen Sie zwischen N-Kanal (NMOS) und P-Kanal (PMOS).
- Potenziale eingeben (VG, VS, VD) — Tragen Sie die Gate-, Source- und Drain-Spannungen in Volt ein. Das Tool ermittelt daraus automatisch $V_{GS}$ und $V_{DS}$.
- Schwellenspannung (Vth) festlegen — Die Schwellenspannung bestimmt, ab welchem Potenzial der leitende Kanal gebildet wird.
- Transkonduktanz k eingeben (optional) — Durch Eingabe des Parameters $k$ (in $\text{A/V}^2$) berechnet der MOSFET-Rechner den Drainstrom $I_D$ für den erkannten Arbeitsbereich.
- Drainstrom oder VDS manuell überschreiben (optional) — Haben Sie $I_D$ gemessen, können Sie den Wert direkt eintragen, um Verlustleistung und Einschaltwiderstand $R_{DS(on)}$ zu bestimmen.
- Ergebnisse ablesen — Sie erhalten den Betriebsbereich, Steuerspannungen, Drainstrom, Verlustleistung und Einschaltwiderstand übersichtlich dargestellt.
Formeln & Theorie im MOSFET-Rechner
Dieses Berechnungstool basiert auf dem klassischen quadratischen Modell (Square-Law-Modell) für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren:
Spannungen an den Anschlüssen
VGS = VG − VS
VDS = VD − VSBestimmung des Arbeitsbereichs (N-Kanal)
Der MOSFET-Rechner prüft die anliegenden Spannungsverhältnisse anhand der folgenden physikalischen Kriterien:
| Bedingung | Arbeitsbereich | Verhalten |
|---|---|---|
| $V_{GS} \le V_{th}$ | Sperrbereich (Cut-off) | Transistor sperrt, kein messbarer Stromfluss |
| $V_{GS} > V_{th}$ und $V_{DS} < V_{GS} - V_{th}$ | Linearbereich (Triodenbereich) | Verhalten wie ein spannungsgesteuerter Widerstand |
| $V_{GS} > V_{th}$ und $V_{DS} \ge V_{GS} - V_{th}$ | Sättigungsbereich (Abschnürbereich) | Strom wird primär über die Gatespannung gesteuert |
Berechnung des Drainstroms
Sperrbereich (Cut-off):
ID = 0Linearbereich (Triodenbereich / ohmscher Bereich):
ID ≈ k × [(VGS − Vth) × VDS − VDS² / 2]Sättigungsbereich (Abschnürbereich):
ID ≈ 0.5 × k × (VGS − Vth)²Verlustleistung und Einschaltwiderstand
Für den eingeschalteten Transistor berechnen sich thermische Verlustleistung und statischer Einschaltwiderstand wie folgt:
P = VDS × ID
RDS(on) ≈ VDS / ID| Symbol | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| $k$ | Transkonduktanzparameter $k = \mu_n C_{ox} (W/L)$ | $\text{A/V}^2$ |
| $V_{th}$ | Schwellenspannung (Threshold Voltage) | $\text{V}$ |
| $V_{GS}$ | Gate-Source-Spannung | $\text{V}$ |
| $V_{DS}$ | Drain-Source-Spannung | $\text{V}$ |
| $I_D$ | Drainstrom | $\text{A}$ |
| $P$ | Verlustleistung | $\text{W}$ |
| $R_{DS(on)}$ | Einschaltwiderstand (On-Resistance) | $\Omega$ |
Für P-Kanal-Transistoren invertiert der MOSFET-Rechner die Polaritäten intern, sodass alle Formeln konsistent angewendet werden.
Typische Anwendungsbereiche für den MOSFET-Rechner
Der MOSFET-Rechner ist ein praktisches Hilfsmittel in der Elektronikentwicklung, Schaltungssimulation und universitären Ausbildung:
- Arbeitspunktanalyse in Verstärkerschaltungen — Prüfen Sie schnell, ob ein Transistor im Sättigungsbereich für verzerrungsarme Kleinsignalverstärkung betrieben wird.
- Dimensionierung von Leistungsschaltern — Berechnen Sie mit dem MOSFET-Rechner die Verlustleistung und den $R_{DS(on)}$ von Leistungs-MOSFETs zur thermischen Auslegung.
- Plausibilitätsprüfung von SPICE-Simulationen — Nutzen Sie das Tool, um Simulationsergebnisse aus LTspice oder KiCad analytisch zu verifizieren.
- Ausbildung und Halbleiterphysik — Studierende vertiefen mit dem MOSFET-Rechner ihr Verständnis für Schwellenspannung, Abschnürspannung und Transkonduktanz.
- Optimierung von Schaltnetzteilen — Ermitteln Sie statische Leitungsverluste für Schalttransistoren in DC-DC-Wandlern und Motortreibern.