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  n-MOSFET, Abschnürung "pinch off" |
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Murmeltier
Ehemals Aktiv 
Dabei seit: 23.04.2007
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 |  Themenstart: 2008-03-06
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Hi,
ich habe eine kurze Frage zum Abschnürungseffekt / "pinch off" beim n-MOSFET.
Der Effekt tritt ja auf, wenn die Spannung zwischen Drain und Source einen best, Wert überschrietet.
Wie kann man diesen Effekt ursächlich erklären?
Ich würde so argumentieren, bin mir aber unsicher und würde mir das gerne bestätigen lassen:
Durch die zwei pn -Übergänge liegen im Prinzip zwei Dioden vor, von denen max. eine durchgeschalten ist (wenn man nur eine Drain-Source Spannung anlegt).
Eigentlich Überlagern sich ja zwei Effekte. Zum einen der Kondensatoreffekt (Erzeugt leitenden Kanal) in Form d. pos. Spannung zwischen Gate und Bulk zum anderen d. Diodeneffekt.
Miene Erlärung wäre dann, dass Abhänig vom Verhältnis d. Spannungen zwischen a) Drain SOurce und b) Gate Bulk der eine oder der andere Effekt überwiegt, bzw. eine Mischung daraus ensteht.
Ist das soweit korrekt?
Danke und Grüße Murmel
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Ex_Mitglied_19661
| Beitrag No.1, eingetragen 2008-03-06
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Hallo Murmel,
m.E. kannst Du bei einem MOSFET nicht von zwei Dioden sprechen wie bei einem bipolaren Transistor, zumal der pn-Übergang an Source meistens kurzgeschlossen ist (Bulk und Source verbunden).
Zur Erklärung der Abschnürung ("pinch off") verweise ich auf folgenden Link:
hier
Gruß trek
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Murmeltier
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| Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-06
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Hi trek,
danke für deine Antwort, abre ich verstehe die Erklärung leider nicht. Wirklich detailiert ist sie aber auch nicht.
Die Dioedenvorstellung habe ich von hier:
olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/transistor1.htm
Mit diesem Modell kann ich es mir einigermaßen, wenn auch noch nicht zufriedenstellend erklären.
Zu dem von dir geposteten Link:
Eigentlich hat man doch zwei E-Felder die sich überlagern.
Ein E-Feld zischen D und S (grafisch: Pfeil von D in Richtung S) und ein Feld zwischen Gate und Bulk (grafisch: Pfeil von G nach B).
Die beiden Felder haben einen 90 Grad Winkel zueinander.
Aber ich kann mir den keilförmigen Verlauf irgendwie trotzdem nicht erklären.. :-(
Damit d. Kanal dort aufgehoben würde, müsste ich doch ein entgegengesetztes E-Feld haben? Aber das hat man doch gar nicht?!
Freue mich über eine Erklärung oder einen guten Link.
Gesucht habe ich allerdings auch schon ne Weile..
Grüße Murmel
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bf_15b35
Senior 
Dabei seit: 28.02.2003
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 | Beitrag No.3, eingetragen 2008-03-06
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Hi,
dieses Applet erklärt eigentlich die Zusammenhänge sehr gut und anschaulich.
Gruß, bf_15b35
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Murmeltier
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| Beitrag No.4, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-06
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Hi
danke für den Link,
ich möchte aber eigentlich fürs erste eigentlich nur Wissen, warum der pinch off ensteht und warum er keilförmig ist.
Die prinzipielle Funktionsweise ist mir ansonsten eigentlich klar, insofern hilft mir das Applet (das aber wirklich hübsch ist) nicht weiter.
Grüße Mumrel
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Ex_Mitglied_19661
| Beitrag No.5, eingetragen 2008-03-06
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Hallo Murmel,
Dein Link ist doch wirklich gut.
Dort sieht man ja auch, daß die Keilform des stromführenden Kanals von der Potenzialdifferenz zwischen Drain und Gate bestimmt wird.
Gruß trek
PS: Noch besser der von bf_15b35
[Die Antwort wurde nach Beitrag No.2 begonnen.]
[ Nachricht wurde editiert von trek am 06.03.2008 23:36:55 ]
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Murmeltier
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| Beitrag No.6, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-06
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Hi trek,
\quoteon(2008-03-06 23:15 - trek)
Dort sieht man ja auch, daß die Keilform des stromführenden Kanals von der Potenzialdifferenz zwischen Drain und Gate bestimmt wird.
\quoteoff
ja man sieht dass die Ausprägung d. Keilform von U_DS abhängt, aber da ist ja keine Erklärung dabei warum das so ist.
Ich möchte verstehen warum es genau so ist wie es ist...
Grüße Murmel
[ Nachricht wurde editiert von Murmeltier am 06.03.2008 23:50:06 ]
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Ex_Mitglied_19661
| Beitrag No.7, eingetragen 2008-03-07
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\quoteon(2008-03-06 23:49 - Murmeltier)
ja man sieht dass die Ausprägung d. Keilform von U_DS abhängt, aber da ist ja keine Erklärung dabei warum das so ist.
Ich möchte verstehen warum es genau so ist wie es ist...
\quoteoff
Hallo Murmel,
nicht nur von UDS, sondern auch von UDG.
Wenn UDG = 0, wird die Inversionsschicht an dieser Stelle gleich null.
Gruß trek
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Murmeltier
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| Beitrag No.8, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-07
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\quoteon
nicht nur von UDS, sondern auch von UDG.
Wenn UDG = 0, wird die Inversionsschicht an dieser Stelle gleich null.
Gruß trek
\quoteoff
Hi trek,
ja ok, aber das ist ja ein Sonderfall. Wenn es keinen Kanal gibt, kann es natürlich auch kein pinch off geben.
Ich bekomme irgendwie nicht die Antworten die ich bruache.
Ich verstehe die Erklärung mit dem Potential nicht. Warum bildet sich eine keilförmige Abschnürung aus? Wie erklärt man das mit E-feldern?
Ich hatte ja oben geschrieben, dass die im rechten Winkel aufeinander stehen müssten, darauf ist noch niemand eingegenagen, warum nicht? Ist das falsch?
Grüße Murmel
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bf_15b35
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| Beitrag No.9, eingetragen 2008-03-07
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Hi,
Zur Keilform eine Erklärungsvariante:
Am Drain-Anschluss (n-dotiert) haben wir ja unseren Pluspol. Wird U_DS immer weiter erhöht, so saugt der Drain ja immer stärker die negativen Ladungsträger an und stösst die positiven ab.
Damit wird der Querschnitt des leitenden Kanals nahe am Drainanschluss geringer, da dort nun mehr Rekombinationen zwischen freien negativen Ladungsträgern und unseren Löchern stattfinden. Also breitet sich die Raumladungszone in Richtung des Gates aus.
Somit wird der Kanal zum Drain hin schmaler, was dann diese Keilform ergibt.
Wenn du es mit den E-Feldern erklären möchtest, so musst du vorraussetzen, dass sich dein E-Feld in X-Richtung (Source -> Drain) nur sehr schwach bis gar nicht ändert. Hingegen ändert sich dein E-Feld in Y-Richtung (Gate -> Kanal) merklich, wie oben beschrieben.
Ich habe auch nochmal in meinen Unterlagen und Büchern nachgeschlagen, aber dort wird auch nur unzureichend darauf eingegangen.
Ich fand damals schon das Applet mit seinen Erklärungen am nützlichsten.
Gruß, bf_15b35
[Die Antwort wurde nach Beitrag No.5 begonnen.]
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Ex_Mitglied_19661
| Beitrag No.10, eingetragen 2008-03-07
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Hallo Murmel,
entlang des Kanals ist die Spannung nicht konstant. Es besteht ein Spannungsgefälle und dementsprechend ein nicht konstantes E-Feld (senkrecht zum E-Feld zwischen Source und Drain).
Gruß trek
[Die Antwort wurde nach Beitrag No.8 begonnen.]
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Murmeltier
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| Beitrag No.11, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-07
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Hi, danke für eure Energie:
Ich mus snochmal nachfragen, ich will das jetzt endlich verstehen:
\
\blue\(bf_15b35) Damit wird der Querschnitt des leitenden Kanals nahe am Drainanschluss geringer, da dort nun mehr Rekombinationen zwischen freien negativen Ladungsträgern und unseren Löchern stattfinden. Also breitet sich die Raumladungszone in Richtung des Gates aus. Somit wird der Kanal zum Drain hin schmaler, was dann diese Keilform ergibt.
\black\Aber das versteh ich nicht. Das p-dotierte Gebiet wurde doch aufgrund d. U_GS Spannung mit "freien" Elektronen die den Kanal bilden geflutet, d.h. die dort ansässigen Löcher sind doch bereits gesättigt (daher doch auch die Spannungsgrenze U_th).
Oder soll die Argumentation die sein,dass die Elektronen einfach so schneller abgesaugt also sie nachgeliefert werden können und sich daher wieder eine Raumladungszone ausbildet?
\green\(trek)entlang des Kanals ist die Spannung nicht konstant. Es besteht ein Spannungsgefälle und dementsprechend ein nicht konstantes E-Feld (senkrecht zum E-Feld zwischen Source und Drain).
\black\
Puh, sorry Leute, ich versteh es einfach nicht.
Ich schlafe jetzt erstmal eine Nacht drüber, ich habe heute schon so viel Zeit damit verbracht.
Grüße Mumrel
[ Nachricht wurde editiert von Murmeltier am 07.03.2008 01:07:20 ]
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bf_15b35
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| Beitrag No.12, eingetragen 2008-03-07
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Hi,
ich meine die Minoritätsträger im N-Gebiet, also die dort vorhandenen Löcher.
Das zeigt sich auch in diesem Bild :
Gruß, bf_15b35
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Ex_Mitglied_19661
| Beitrag No.13, eingetragen 2008-03-07
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\quoteon(2008-03-07 01:44 - bf_15b35)
ich meine die Minoritätsträger im N-Gebiet, also die dort vorhandenen Löcher.
\quoteoff
Hallo bf_15b35,
wir reden doch hier vom N-Kanal oder nicht?
Nach meinem Verständnis werden durch die positive Gatespannung im Kanal negative Ladungen influenziert. Oder liege ich hier falsch?
Gruß trek
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bf_15b35
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| Beitrag No.14, eingetragen 2008-03-07
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Hallo Trek,
ja wir sprechen über den N-Kanal-MOSFET.
Mit dem N-Gebiet (aus dem vorherigen Beitrag) meine ich das n-dotierte Gebiet des Drainanschlusses.
Deine Gedanken zum Kanal sind natürlich richtig.
Gruß, bf_15b35
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bf_15b35
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|  Beitrag No.15, eingetragen 2008-03-07
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Hallo,
Ich kann ja mal aus einem Buch zitieren, dort heisst es :
"Solange die Drain-Source-Spannung klein ist, wird die induzierte Ladung und damit auch die Kanalbreite überall gleich sein. Auch der Widerstand ist dann überall im Kanal der gleiche und der Strom proportional zur Drain-Source Spannung. Mit wachsendem Strom erhöht sich jedoch der Spannungsabfall im Kanal und damit hängt die Potentialdifferenz zwischen Gate und Kanal vom Ort x ab. Die Potentialdifferenz in y-Richtung, also senkrecht zum Kanal, wird um so größer, je näher man von der Source- zur Drain-Elektrode kommt, die Kanalbreite wird dementsprechend kleiner. Der Leitwert wird dadurch an diesen Stellen kleiner."
Quelle : Thuselt, "Physik der Halbleiterbauelemente"
Hmm, eigentlich dachte ich, die Potentialdifferenz wird in Richtung des Drain-Anschlusses geringer.
Gruß, bf_15b35
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BerndR
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| Beitrag No.16, eingetragen 2008-03-07
|
\
Hallo,
Ich darf auch aus einem Buch zitieren:
"Die Kanalladung ist nicht gleichmäßig über die Kanallänge verteilt. Sie hängt vom Spannungsfall über dem Oxid ab. Da das Potential \phi im Kanal nicht konstant ist, sondern vom Wert \phi = 0 bei Source auf den Wert \phi = U_DS bei D ansteigt, nimmt der Spannungsabfall über dem Oxid von S zu D hin ab. Wenn U_DS > U_GS wird, wird in Teilen des Kanals überhaupt keine Inversion mehr erzeugt. Dieser Effekt führt letztlich zur Sättigung der I_D(U_DS)-Kennlinie."
Quelle: K. Heime Elektronische Bauelemente
Gruß Bernd
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BerndR
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| Beitrag No.17, eingetragen 2008-03-07
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\
Der Vergleich mit der Basis-Kollektor-Diode ist für den Abschnürbereich zweckmäßig.
Ich zitiere wieder Heime Elektronische Bauelemente.
"Kanalabschnürung und - verkürzung
Wenn U_DS = U_US - U_T , ist der Potentialabfall über dem Oxid an der Stelle x = L (Drain) nicht mehr groß genug, um bewegliche Ladungsträger zu influenzieren. Die Kanaldicke ist damit Null an der Stelle x = L -> Kanalabschnürung.
Wenn U_DS > U_US - U_T , kehrt sich das Vorzeichen des Potentialabfalls über einem Teil des Oxids um: statt Inversion entsteht Verarmung -> Kanalverkürzung.
Die Verarmungszone ist eine hochohmige Raumladungszone, in der ein hohes Feld E_x herrscht. Sie ist ähnlich der Raumladungszone in einer gesperrten Basis-Kollektordiode eines Bipolartransistors. So wie die vom Emitter in die Basis injizierten Ladungsträger die Kollektor-Raumladungszone durchqueren durchqueren die vom Kanal "injizierten" Ladungsträger die hochohmige Zone im MOSFET, so dass der Strom nicht absinkt, wenn U_DS > U_US - U_T.
Da der Kanal mit wachsendem U_DS verkürtzt wird, sinkt sein Widerstand, so dass I_D oberhalb U_DSS noch anwächst. ..."
[ Nachricht wurde editiert von BerndR am 07.03.2008 14:40:20 ]
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Murmeltier
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|  Beitrag No.18, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-07
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Hi,
super berndR, das ist mindestens ein Zugang in jeden Fall aber eine anschauliche Erklärung. Ich dank euch, dass ihr die Bücher aufgeschalgen habt!
Zwar bleibten für mich immer noch Fragen offen, aber mit der Erklärung kann ichs fürs erste leben!
Eine Frage wäre z.B.
Ok sei also UDS so gewählt, dass direkt am Drainanschluss kein Potentialunterschied zwischen dem Kanal und dem Gate herrscht.
Aber dann müsste ja eigetnlich (ziemlich nah am Drainanschluss) wieder eine Wechselwirkung durch die Spannung enstehen die zwischen d. Kanal/Gate (die dort ja das selbe Potential haben) und Bulk (Source-Potential) anliegt, oder?
Aber wie gesagt, das große Fragezeichen ist kleiner geworden!
Vielen dank und Grüße
Mumrel
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BerndR
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| Beitrag No.19, eingetragen 2008-03-08
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\
Hallo Murmeltier,
Bei der Betrachtung des MOSFETs legen wir ein Modell zu Grunde, bei dem einige Vereinfachungen getroffen werden. In der Regel sind das folgende:
1. U_DS << U_GS
Der Spannungsfall im Kanal soll linear sein. Der Kanal verhält sich wie ein ohmscher Widerstand.
2.E_yOX >> E_x
Die Kanalfeldstärken im Oxid senkrecht zum Stromfluß im Kanal (E_yOX) sind dem Betrage nach wesentlich größer als die durch U_DS erzeuten Feldstärken im Kanal parallel zum Stromfluß (E_x) .
Das bedeutet, dass die Feldstärke im Oxid praktisch senkrecht zum Kanal und die Feldstärke im Kanal parallel zum Kanal ist, so dass eindimensional gerechnet werden kann.
Das bezeichnet man auch als "Schockley'sche gradual channel approximation"
3. Die Beweglichkeit ist konstant.
Diese idealisierte Betrachtung weicht natürlich vom realen Verhalten des Bauteils etwas ab.
Was verstehst du unter Wechselwirkung? Das kann ich nicht nachvollziehen.
Gruß Bernd
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Murmeltier
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| Beitrag No.20, vom Themenstarter, eingetragen 2008-03-08
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Hi Bernd,
also ich habe mal Bilder gemacht, daran kann man vermutlich besser nachvollziehen was ich meine.
Also so habe ich im Grunde deine Erkärung verstanden:
Die eingezeichneten roten Pfeile sollen ein Maß für den Potentialuntreschied zwischen Gate und Kanal sein (U_OX).
Dieser wird in richtung Drain geringer, da Drain und Gate ja in etwa das selbe Potential haben wenn U_DS und U_GS ungefähr gleich groß sind.
Da es kein Potentialunterschied gibt, gibt es auch kein E-Feld, dass Elektronen zum Oxid hinziehen würde und somit kann es an der Stelle uach keinen (nur einen kleinen) Kanal geben.
Also so habe ich deine Erklärung verstadnen.
Nun zu der Frage bzw. den Wechselwirkungen:
Also nahe am Drainanschluss besteht unter diesen Voraussetzungen ja kein Potentialunterschied und daher kommt es zur Abschnürung.
Aber wo ja immer noch ein Potentialunterschied bestehen müsste ist ja zwischen Bulk und Gate bzw. Bulk und Draingebiet (blaue Pfeile).
Und ich habe mich gefragt warum man diesen Pot-unterschied dann nicht mehr berücksichtigen muss, bzw. warum er dort keine nennenswerten Effekte hat/haben soll?
Die Dateien gäbe es als svg/png hier:
www.alice-dsl.net/mumrel/MOSFET/MOSFET.svg
png
www.alice-dsl.net/mumrel/MOSFET/MOSFETblank.svg
Due Annahmen die du nennst sind doch aber genau die Vorraussetzungen unter denen es gar nicht zum pinch-off kommt, oder nicht?!
Vielen Dank und Grüße
Murmel
[ Nachricht wurde editiert von Murmeltier am 08.03.2008 13:53:31 ]
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BerndR
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| Beitrag No.21, eingetragen 2008-03-08
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\
Hi Murmeltier,
Ja, die Vorraussetzungen beschreiben das Verhalten im ohmschen Bereich.
Das Verhalten des MOSFET lässt sich alleine durch die Oberflächeneffekte beschreiben.
Zwischen Metall und Halbleiter kann eine Spannung angelegt werden. Das Substrat (rot gekennzeichnet) ist auf Nullpotential, also treten keine Feldstärken im Substrat auf!
Die Anordnung ist ein Kondensator, desssen eine Platte vom Halbleiter gebildet wird. Wird nun eine Spannung so angelegt, dass die Metallplatte positiv gegenüber dem Halbleiter ist, so entsteht auf der Metallplatte eine positive Ladung. Da insgesamt Ladungsneutralität herrschen muss, entsteht im Halbleiter eine entgegengesetzt gleichgroße Ladung.
Diese Ladungsträger sind dann am Stromfluß beteiligt.
Gerade diese Möglichkeit den Stromfluß in der Oberfläche eines Halbleiters durch Feldeffektelektroden zu steuern, ohne das Strom über diese Elektroden fließt, ist die Grundlage für den MOSFET.
Gruß Bernd
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Murmeltier hat die Antworten auf ihre/seine Frage gesehen.
Murmeltier hat selbst das Ok-Häkchen gesetzt. |
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