MOSFET Transistoren

Sicher angesteuert ist ein MOSFET im Anreicherungsbetrieb (Enhancement Mode) erst deutlich oberhalb seiner Schwellenspannung VGS(th) — knapp darüber leitet er, aber nicht mit dem Kanalwiderstand aus dem Datenblatt. Die dort angegebene Spanne ist eine Bauteilstreuung und kein Arbeitspunkt: Für die HCT7000-Serie sind 0,8 bis 3,0 V spezifiziert (VDS = VGS, ID = 1 mA). Ausgelegt wird gegen das obere Ende, das sichere Sperren gegen das untere.

Vollständig durchgesteuert ist der Kanal erst deutlich darüber. Das Datenblatt garantiert RDS(on) 5 Ω bei VGS = 10 V, bei VGS = 4,5 V dagegen nur einen Einschaltstrom ID(on) von mindestens 75 mA. Wer aus einem 3,3-V- oder 5-V-Logikpegel schaltet, muss deshalb entweder mit dem höheren Kanalwiderstand rechnen oder einen Gate-Treiber vorsehen. Die Steilheit Gfs von 100 mS gilt bei VDS = 10 V und ID = 0,2 A.

TX und TXV kennzeichnen die Screening-Stufe, nicht eine abweichende Elektrik: Ein HCT7000MTX ist derselbe Transistor wie ein HCT7000M, nur zusätzlich geprüft. Die Systematik stammt aus MIL-PRF-19500, der US-Rahmenspezifikation für diskrete Halbleiter, die die Qualitätsstufen JAN, JANTX, JANTXV und JANS unterscheidet. TX ergänzt Screening-Prüfungen an jedem einzelnen Bauteil, TXV zusätzlich die Sichtprüfung des Chips vor dem Verschließen des Gehäuses.

Für die TX- und TXV-Typen der HCT7000-Serie nennt OPTEK ein an MIL-PRF-19500 angelehntes Screening-Programm mit einem VGS-HTRB bei 24 V über 48 Stunden bei 150 °C und einem VDS-HTRB bei 48 V über 260 Stunden bei 150 °C. Für die Beschaffung ist die Formulierung wichtig: „angelehnt an" ist nicht dasselbe wie eine JAN-Qualifikation nach QML-Liste. Wo ein qualifiziertes Bauteil gefordert ist, gehört die Stufe ausdrücklich in die Spezifikation.

Entscheidend sind sechs Größen — und bei jeder die Prüfbedingung, unter der sie gilt:

• VDSS, die Drain-Source-Sperrspannung, mit Reserve für Schaltüberschwinger ausgelegt
• ID und die zulässige Verlustleistung PD, die in der Praxis meist vor dem Stromgrenzwert bremst
• RDS(on) — immer zusammen mit dem VGS, bei dem er gemessen wurde
• VGS(th) als Streuband, das über die Logikpegel-Tauglichkeit entscheidet
• Ciss, Coss, Crss sowie t(on) und t(off) für den Treiberaufwand und die Schaltverluste
• Wärmewiderstand RthJC und RthJA zusammen mit der maximalen Sperrschichttemperatur

Die Prüfbedingung ist dabei kein Beiwerk: Bei der HCT7000-Serie etwa sind RDS(on) und VDS(on) bei 0,5 A spezifiziert und damit oberhalb des Dauergrenzwerts von 200 mA — eine Pulsmessung, kein zulässiger Dauerarbeitspunkt. Ungeprüft in die Verlustleistungsrechnung übernommen, führt so ein Wert auf einen Betriebsfall, den das Bauteil nicht erlaubt.

Im Hi-Rel-Umfeld kommen zwei nicht-elektrische Kriterien dazu: Gehäusebauform samt Dichtheit und die geforderte Screening-Stufe. Beide lassen sich später nicht nachrüsten.

Ein hermetisches Gehäuse trennt den Chip dauerhaft von der Umgebungsatmosphäre, während Kunststoffverguss Feuchte durchlässt — das ist der Grund für diese Bauform. Daraus folgen die Eigenschaften, wegen derer sie im Hi-Rel-Bereich überhaupt gewählt wird:

• Keine Feuchteaufnahme und damit keine Feuchteempfindlichkeitsklasse, kein Trockenlagern, kein Popcorn-Effekt beim Löten
• Formstabilität über viele Temperaturwechsel zwischen -55 °C und +150 °C
• Kein Ausgasen des Vergussmaterials im Vakuum

Der Preis dafür steht ebenfalls im Datenblatt: Der Wärmepfad ist schlechter als bei modernen SMD-Leistungsgehäusen — RthJA liegt bei 583 °C/W — die zulässige Verlustleistung entsprechend niedrig, und die Typenvielfalt ist klein. Ein hermetisches Gehäuse ersetzt keine thermische Auslegung, es verschiebt nur den Ausfallmechanismus.

Die zulässige Verlustleistung wird aus dem Wärmewiderstand und der maximalen Sperrschichttemperatur zurückgerechnet, nicht aus der Kopfzahl im Datenblatt übernommen: Pzul = (Tj,max - Tumgebung) / Rth. Für die HCT7000-Serie mit Tj,max 150 °C und RthJA 583 °C/W bleiben bei 25 °C Umgebung rund 214 mW, bei 85 °C noch rund 111 mW und bei 125 °C nur noch rund 43 mW. Mit definierter Wärmeabfuhr über das Gehäuse zählt stattdessen RthJC mit 100 °C/W — dann begrenzt der Datenblattwert von 600 mW.

Für Hi-Rel-Projekte kommt eine zweite Stufe dazu: Derating-Vorgaben aus Programmregelwerken wie ECSS-Q-ST-30-11 oder NASA EEE-INST-002 verlangen zusätzlich Abstand zu Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzwerten. Welcher Faktor gilt, steht im jeweiligen Regelwerk und im Programmhandbuch, nicht im Bauteildatenblatt.

Hi-Rel MOSFETs lohnen sich dort, wo ein Austausch teurer ist als das Bauteil: in Luft- und Raumfahrt, Verteidigungselektronik, Medizintechnik, Bohrloch- und Prozessmesstechnik sowie in Systemen mit langer Lebensdauer, in denen ein unangekündigter Fertigungswechsel eine Requalifikation auslösen würde. Typische Aufgaben sind Signal- und Kleinlastschalter, Pegelumsetzung, Ansteuerung von Relais und Optokopplern sowie Analogschalter.

Nicht sinnvoll sind sie in zwei Fällen. Erstens bei echter Leistungswandlung: Für Motorsteuerungen oder Wandler im Ampere-Bereich sind Typen mit Milliohm-Kanalwiderstand und thermisch angebundenem Leistungsgehäuse die richtige Wahl, nicht ein 200-mA-Typ mit 5 Ω. Zweitens, wenn nur der weite Temperaturbereich gebraucht wird: Dafür genügt oft ein nach AEC-Q101 qualifizierter Industrietyp, ohne Screening-Aufpreis.

Nein — Strahlungsfestigkeit ist eine eigene Qualifikation und folgt nicht aus dem Screening. MIL-PRF-19500 und vergleichbare Programme prüfen Zuverlässigkeit und Verarbeitungsqualität; Strahlungshärte wird getrennt nachgewiesen, etwa als Gesamtdosis nach MIL-STD-750 Testmethode 1019 oder nach ESCC 22900, und Einzelereignisse in eigenen Schwertionen-Tests.

Für MOSFETs sind dabei zwei Mechanismen relevant: Die Gesamtdosis lagert Ladung im Gateoxid ein, verschiebt die Schwellenspannung und erhöht Leckströme; Einzelereignisse wie SEB und SEGR treten im Sperrbetrieb auf und hängen von der anliegenden Drain-Source- und Gate-Spannung ab, weshalb rad-hard qualifizierte Typen dafür eigene Derating-Vorgaben mitbringen. Für die HCT7000-Serie liegen keine Strahlungsdaten vor. Wo eine RHA-Anforderung besteht, gehört ein ausdrücklich dafür qualifizierter Typ in die Stückliste — welcher dafür in Frage kommt, klären wir gerne für Ihr Projekt.

Der empfindlichste Punkt ist das Gateoxid: Es ist hochohmig isoliert und wird durch statische Entladung zerstört, lange bevor die Grenzwerte der Kennlinie erreicht sind. Daraus folgen die wichtigsten Regeln für Layout und Fertigung:

• ESD-gerecht handhaben und das Gate nie offen lassen — ein Pull-down-Widerstand definiert den Sperrzustand beim Anlauf
• VGS-Grenzwert einhalten, bei der HCT7000-Serie ±40 V, und Überschwinger am Gate begrenzen
• Gate-Vorwiderstand vorsehen; die Schaltzeiten von 10 ns sind mit Rg = 25 Ω spezifiziert
• Rückwirkung über Crss beachten: 5 pF genügen, um bei steilen Drain-Flanken ein offenes Gate anzuheben
• Wärme über Pads und Leiterbahnen abführen — bei dieser Bauform gibt es keine Kühlfahne

Löt- und Reinigungsprofile stehen nicht im Datenblatt der HCT7000-Serie. Wir fragen sie für Sie bei OPTEK an, bevor Sie in die Serienfertigung gehen.