MOSFET

Wo MOSFETs arbeiten

Typische Defekte

MOSFETs sind robuste Bauteile, aber sie haben eine Schwachstelle: Wenn sie durchbrennen, schließen sie meist kurz. Dann fließt Strom dorthin, wo er nicht hin soll. Häufige Ursachen sind ein falsches oder defektes Netzteil, Überspannung, Flüssigkeit auf der Platine oder ein anderes Bauteil, das zu viel Strom zieht. Bei Laptops ist ein kurzgeschlossener MOSFET am Eingang eine sehr häufige Ursache, wenn das Gerät gar nicht mehr reagiert und das Netzteil-Licht ausgeht.

Reparatur

Ein defekter MOSFET lässt sich mit dem Multimeter und einer Strommessung finden. Anschließend wird er ausgelötet und durch ein passendes Bauteil ersetzt. Wichtig ist, auch die Ursache zu finden. Hat ein anderes Bauteil den MOSFET überlastet, brennt der neue sonst ebenfalls durch. Bei Spannungswandlern werden deshalb oft der Steuerchip und angeschlossene Bauteile mitgeprüft.

So funktioniert ein MOSFET

Ein MOSFET ist ein Transistor, also ein elektronischer Schalter ohne bewegliche Teile. Die Abkürzung steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Er hat drei Anschlüsse: Gate, Source und Drain. Über das Gate wird gesteuert, ob zwischen Source und Drain Strom fließen kann.

Das Besondere am MOSFET ist, dass zur Steuerung fast kein Strom nötig ist. Es reicht eine Spannung am Gate. Das Gate ist durch eine hauchdünne Oxidschicht vom Rest des Bauteils isoliert. Die Spannung erzeugt ein elektrisches Feld, das einen leitenden Kanal im Halbleiter öffnet. Daher kommt der Name Feldeffekt.

Weil MOSFETs so wenig Steuerleistung brauchen und gleichzeitig große Ströme schalten können, sind sie die Grundlage moderner Elektronik. In einem Prozessor stecken Milliarden winziger MOSFETs. Auf der Platine sitzen zusätzlich einzelne, größere MOSFETs, die Strom für verschiedene Bereiche schalten.

N-Kanal und P-Kanal

Es gibt zwei Grundtypen. Ein N-Kanal-MOSFET leitet, wenn das Gate eine positive Spannung gegenüber der Source hat. Ein P-Kanal-MOSFET leitet dagegen, wenn das Gate eine niedrigere Spannung als die Source hat. Welcher Typ eingesetzt wird, hängt davon ab, ob der Schalter auf der Plus- oder auf der Masseseite sitzt.

Ein wichtiger Kennwert ist der Durchlasswiderstand, oft als RDS(on) bezeichnet. Je kleiner er ist, desto weniger Wärme entsteht beim Schalten großer Ströme. In Laptops, die viele Watt für Prozessor und Grafikchip bereitstellen, kommt es auf jeden Milliohm an.

Aufgaben in Smartphone und Laptop

In Laptops sind MOSFETs vor allem in der Stromversorgung zu finden. Sie schalten zwischen Netzteil und Akku um, schützen vor Rückstrom und bilden zusammen mit Spulen die Spannungsregler für Prozessor, Grafikchip und Speicher. Diese Regler können zwei MOSFETs pro Phase haben, einen für die obere und einen für die untere Seite.

Im Smartphone übernimmt der Power-Management-Chip viele dieser Aufgaben intern. Einzelne MOSFETs sitzen aber zum Beispiel in der Ladeschaltung, am Akkuanschluss oder als Lastschalter für Komponenten, die nur bei Bedarf Strom bekommen. So spart das Gerät Energie, wenn etwa die Kamera nicht benutzt wird.

Auch in Ladegeräten selbst stecken MOSFETs. Moderne Schnellladegeräte nutzen dafür teilweise Galliumnitrid statt Silizium. Diese GaN-Transistoren schalten schneller und verlieren weniger Energie, weshalb die Netzteile kleiner werden.

Warum MOSFETs ausfallen

Der typische MOSFET-Defekt ist ein Kurzschluss zwischen Drain und Source. Der Schalter bleibt dann dauerhaft geschlossen oder verbindet die Versorgung direkt mit Masse. In Laptops äußert sich das oft so, dass das Netzteil beim Einstecken abschaltet oder die Ladeanzeige blinkt, das Gerät aber nicht startet.

Häufige Ursachen sind Überspannung, zum Beispiel durch ein falsches oder defektes Netzteil, und Überhitzung. Auch Flüssigkeit, die zwischen die Anschlüsse gelangt, kann einen MOSFET zerstören. Ein weiterer Klassiker ist statische Entladung. Das Gate ist so dünn isoliert, dass schon ein kleiner Funke es durchschlagen kann.

MOSFETs prüfen

Mit einem Multimeter lässt sich ein MOSFET grob prüfen. Zwischen Drain und Source sollte im ausgeschalteten Zustand kein Durchgang bestehen. Die meisten MOSFETs haben aber eine eingebaute Diode zwischen diesen Anschlüssen, die im Diodentest in einer Richtung einen Wert zeigt. Ein Wert nahe null in beide Richtungen deutet auf einen Kurzschluss hin.

Auf der Platine ist eine sichere Aussage schwieriger. Hier vergleicht man Messwerte mit einem Referenzgerät oder lötet das Bauteil zur Prüfung aus. Bei Kurzschlüssen hilft wieder die Wärmesuche: Ein kurzgeschlossener MOSFET erwärmt sich, sobald Strom eingespeist wird.

Wie ein MOSFET getauscht wird

1. Diagnose. Über Schaltplan und Messungen wird der defekte MOSFET eindeutig identifiziert.
2. Ausbau. Das Bauteil wird mit Heißluft entfernt. Größere MOSFETs haben unten ein Wärmepad, das gut erhitzt werden muss.
3. Ersatzteil wählen. Typ, Spannung, Strom und Durchlasswiderstand müssen passen.
4. Einbau. Pads werden vorverzinnt, der neue MOSFET wird aufgesetzt und verlötet.
5. Ursache prüfen. Ist auch der Steuerchip oder eine andere Komponente beschädigt, wird diese mitgetauscht.

Gerade der letzte Schritt ist wichtig. Ein MOSFET fällt selten ohne Grund aus. War ein defektes Netzteil die Ursache, sollte es nicht weiter benutzt werden. Sonst ist der neue MOSFET schnell wieder kaputt.

MOSFETs und statische Entladung

MOSFETs gehören zu den empfindlichsten Bauteilen gegenüber statischer Elektrizität. Die Isolierschicht am Gate ist nur wenige Nanometer dick. Eine Entladung, die du selbst kaum spürst, kann sie durchschlagen. Das Bauteil ist danach entweder sofort defekt oder vorgeschädigt und fällt später aus.

In Werkstätten wird deshalb an geerdeten Arbeitsplätzen mit antistatischen Matten und Armbändern gearbeitet. Ersatzteile werden in speziellen Tüten gelagert, die Ladungen ableiten. Auf der Platine selbst schützen Schutzdioden die Anschlüsse, die nach außen führen. Im Inneren eines geöffneten Geräts fehlt dieser Schutz aber oft.

Für dich heißt das: Wenn du ein Gerät selbst öffnest, berühre vorher einen geerdeten Gegenstand, etwa einen Heizkörper. Arbeite nicht auf Teppich und vermeide Kleidung aus Kunstfasern, die sich leicht auflädt.

MOSFETs im Prozessor

Nicht nur auf der Platine, auch im Inneren jedes Chips arbeiten MOSFETs. Ein moderner Smartphone-Prozessor enthält viele Milliarden davon. Sie sind so klein, dass ihre Strukturen nur wenige Nanometer messen. Jeder einzelne funktioniert nach demselben Prinzip wie ein großer MOSFET auf der Platine, nur in winzigem Maßstab.

Die Hersteller haben die Bauform dieser Transistoren über die Jahre weiterentwickelt. Statt flacher Strukturen werden heute dreidimensionale Formen eingesetzt, bei denen das Gate den Kanal von mehreren Seiten umschließt. So lässt sich der Stromfluss besser kontrollieren und die Leckströme sinken. Das ist ein Grund, warum Smartphones trotz steigender Leistung eine lange Akkulaufzeit erreichen.

Defekte an diesen inneren MOSFETs lassen sich nicht reparieren. Ist ein Prozessor selbst beschädigt, muss der ganze Chip ersetzt werden, was bei vielen Geräten wegen der Kopplung an andere Komponenten nicht möglich ist. Die einzelnen MOSFETs auf der Platine sind dagegen gut tauschbar.

MOSFET im Vergleich zu anderen Transistoren

Neben dem MOSFET gibt es den älteren Bipolartransistor. Er wird nicht über eine Spannung, sondern über einen kleinen Strom gesteuert. Das kostet ständig Energie. Für Akkugeräte ist der MOSFET deshalb fast immer die bessere Wahl. Bipolartransistoren findest du heute vor allem noch in Verstärkerschaltungen und einfachen Steuerungen.

Für sehr hohe Spannungen und Leistungen, etwa in Elektroautos oder Industrieanlagen, gibt es den IGBT, eine Kombination beider Prinzipien. In Smartphones und Laptops spielt er keine Rolle. Dort teilen sich MOSFETs auf Silizium-Basis und zunehmend Galliumnitrid-Transistoren in Netzteilen das Feld.

Für die Reparatur ist das relevant, weil Ersatzteile nicht beliebig austauschbar sind. Ein MOSFET kann nur durch einen MOSFET mit passenden Kennwerten ersetzt werden, nicht durch einen anderen Transistortyp.

Für dich bedeutet das: Wenn dein Laptop nach dem Einstecken eines fremden oder beschädigten Netzteils nicht mehr reagiert, ist oft ein MOSFET im Ladepfad betroffen. Diese Reparatur auf Platinenebene ist in vielen Fällen möglich und deutlich günstiger als ein neues Mainboard. Benutze das verdächtige Netzteil bis zur Klärung nicht weiter.

Häufige Fragen