Transistor - Transistor

Verschiedene diskrete Transistoren. Pakete von oben nach unten: TO-3 , TO-126 , TO-92 , SOT-23 .
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit Gate (G), Body (B), Source (S) und Drain (D) Anschlüssen. Das Gate ist durch eine Isolierschicht (rosa) vom Körper getrennt.

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das verwendet wird, um elektronische Signale und elektrische Leistung zu verstärken oder zu schalten . Transistoren sind einer der Grundbausteine ​​moderner Elektronik . Sie besteht in der Regel aus Halbleitermaterial mit mindestens drei Anschlüssen zum Anschluss an einen externen Stromkreis. Eine an ein Paar der Anschlüsse des Transistors angelegte Spannung oder ein Strom steuert den Strom durch ein anderes Paar von Anschlüssen. Da die gesteuerte (Ausgangs-) Leistung höher sein kann als die steuernde (Eingangs-) Leistung, kann ein Transistor ein Signal verstärken. Heutzutage werden einige Transistoren einzeln verpackt, aber viele weitere sind eingebettet in integrierte Schaltkreise .

Der österreichisch-ungarische Physiker Julius Edgar Lilienfeld schlug 1926 das Konzept eines Feldeffekttransistors vor , aber es war damals noch nicht möglich, ein funktionierendes Gerät zu bauen. Das erste Arbeitsgerät, das gebaut wurde, war ein Punktkontakttransistor, der 1947 von den amerikanischen Physikern John Bardeen und Walter Brattain während ihrer Arbeit unter William Shockley in den Bell Labs erfunden wurde . Die drei erhielten für ihre Leistung 1956 den Nobelpreis für Physik . Der am weitesten verbreitete Transistortyp ist der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden wurde . Transistoren revolutionierten die Elektronik und ebneten den Weg für kleinere und billigere Radios , Taschenrechner und Computer , unter anderem.

Die meisten Transistoren bestehen aus sehr reinem Silizium und einige aus Germanium , aber manchmal werden auch andere Halbleitermaterialien verwendet. Ein Transistor kann in einem Feldeffekttransistor nur eine Art von Ladungsträgern aufweisen oder kann in Bipolartransistorvorrichtungen zwei Arten von Ladungsträgern aufweisen . Im Vergleich zur Vakuumröhre sind Transistoren im Allgemeinen kleiner und benötigen weniger Leistung zum Betrieb. Bestimmte Vakuumröhren haben Vorteile gegenüber Transistoren bei sehr hohen Betriebsfrequenzen oder hohen Betriebsspannungen. Viele Arten von Transistoren werden von mehreren Herstellern nach standardisierten Spezifikationen hergestellt.

Geschichte

Julius Edgar Lilienfeld schlug 1925 das Konzept eines Feldeffekttransistors vor .

Die thermionische Triode , eine Vakuumröhre 1907 erfunden, aktivierte Amplified Funktechnologie und Ferntelefonie . Die Triode war jedoch ein zerbrechliches Gerät, das eine beträchtliche Menge Strom verbrauchte. 1909 entdeckte der Physiker William Eccles den Quarzdiodenoszillator. Der österreichisch-ungarische Physiker Julius Edgar Lilienfeld meldete 1925 in Kanada ein Patent für einen Feldeffekttransistor (FET) an, der als Festkörperersatz für die Triode gedacht war . Lilienfeld meldete auch 1926 und 1928 identische Patente in den Vereinigten Staaten an. Lilienfeld veröffentlichte jedoch weder Forschungsartikel über seine Geräte noch zitierte seine Patente irgendwelche spezifischen Beispiele eines funktionierenden Prototyps. Da die Herstellung hochwertiger Halbleitermaterialien noch Jahrzehnte entfernt war, hätten Lilienfelds Ideen für Halbleiterverstärker in den 1920er und 1930er Jahren keine praktische Anwendung gefunden, selbst wenn ein solches Gerät gebaut worden wäre. 1934 ließ sich der deutsche Erfinder Oskar Heil ein ähnliches Gerät in Europa patentieren.

Bipolartransistoren

John Bardeen , William Shockley und Walter Brattain bei Bell Labs im Jahr 1948. Sie erfanden 1947 den Punktkontakttransistor und 1948 den Bipolartransistor .
Eine Nachbildung des ersten Arbeitstransistors, eines 1947 erfundenen Punktkontakttransistors .

Vom 17. November 1947 bis zum 23. Dezember 1947 John Bardeen und Walter Brattain bei AT & T ‚s Bell Labs in Murray Hill, New Jersey , Experimenten durchgeführt und festgestellt , dass , wenn zwei Goldpunktkontakte zu einem Kristall angelegt wurden Germanium , ein Signal mit einer höheren Ausgangsleistung als der Eingangsleistung erzeugt wurde. Der Leiter der Solid State Physics Group, William Shockley, sah das Potenzial darin und arbeitete in den nächsten Monaten daran, das Wissen über Halbleiter erheblich zu erweitern. Der Begriff Transistor wurde von John R. Pierce als Abkürzung des Begriffs Transwiderstand geprägt . Laut Lillian Hoddeson und Vicki Daitch, den Autoren einer Biographie von John Bardeen, hatte Shockley vorgeschlagen, dass das erste Patent von Bell Labs für einen Transistor auf dem Feldeffekt basieren und er als Erfinder genannt werden sollte. Nachdem sie Lilienfelds Patente entdeckt hatten, die Jahre zuvor in Vergessenheit geraten waren, rieten die Anwälte von Bell Labs von Shockleys Vorschlag ab, weil die Idee eines Feldeffekttransistors, der ein elektrisches Feld als "Gitter" verwendet, nicht neu war. Stattdessen erfanden Bardeen, Brattain und Shockley 1947 den ersten Punktkontakttransistor . In Anerkennung dieser Leistung wurde Shockley, Bardeen und Brattain gemeinsam 1956 der Nobelpreis für Physik „für ihre Forschungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“ verliehen.

Shockley Forschungsteam zunächst versucht , einen Feldeffekttransistor (FET) zu bauen, indem man versucht , die Leitfähigkeit eines zu modulieren Halbleiter , war aber nicht erfolgreich, hauptsächlich aufgrund von Problemen mit den Oberflächenzuständen , die freie Bindung , und die Germanium und Kupferverbundmaterialien . Als sie versuchten, die mysteriösen Gründe für ihr Scheitern beim Bau eines funktionierenden FET zu verstehen, führte dies dazu, dass sie stattdessen die bipolaren Punktkontakt- und Sperrschichttransistoren erfanden .

Herbert Mataré im Jahr 1950. Er erfand im Juni 1948 unabhängig einen Punktkontakttransistor.

1948 wurde der Punktkontakttransistor unabhängig von den deutschen Physikern Herbert Mataré und Heinrich Welker erfunden, während sie bei der Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , einer Westinghouse- Tochtergesellschaft mit Sitz in Paris, arbeiteten . Mataré hatte bereits Erfahrung in der Entwicklung von Quarzgleichrichtern aus Silizium und Germanium im deutschen Radarbereich während des Zweiten Weltkriegs . Mit diesem Wissen begann er 1947, das Phänomen der "Interferenz" zu erforschen. Im Juni 1948, als er beobachtete, wie Ströme durch Punktkontakte flossen, lieferte Mataré konsistente Ergebnisse mit Proben von Germanium, die von Welker hergestellt wurden, ähnlich wie Bardeen und Brattain früher in Dezember 1947. Als das Unternehmen erkannte, dass die Wissenschaftler von Bell Labs den Transistor bereits vor ihnen erfunden hatten, beeilte sich das Unternehmen, seinen "Übergang" in die Produktion für den verstärkten Einsatz im französischen Telefonnetz zu bringen, und reichte am 13. August 1948 seine erste Transistor-Patentanmeldung ein.

Die ersten Bipolartransistoren wurden von William Shockley von Bell Labs erfunden, der am 26. Juni 1948 ein Patent (2.569.347) beantragte. Am 12. April 1950 hatten die Chemiker Gordon Teal und Morgan Sparks von Bell Labs erfolgreich einen funktionierenden bipolaren NPN-Übergangsverstärker hergestellt Germanium-Transistor. Bell Labs hatte am 4. Juli 1951 in einer Pressemitteilung die Entdeckung dieses neuen „Sandwich“-Transistors angekündigt.

Philco Surface-Barrier-Transistor entwickelt und hergestellt im Jahr 1953

Der erste Hochfrequenztransistor war der 1953 von Philco entwickelte Oberflächenbarrieren-Germaniumtransistor , der mit bis zu 60 MHz betrieben werden kann . Diese wurden hergestellt, indem von beiden Seiten mit Indium(III)-Sulfat- Strahlen Vertiefungen in eine n-Typ-Germanium-Basis geätzt wurden, bis sie einige zehntausendstel Zoll dick war. In die Vertiefungen galvanisiertes Indium bildete den Kollektor und den Emitter.

Das erste "Prototyp"-Taschentransistor- Radio wurde von INTERMETALL ( 1952 von Herbert Mataré gegründet) auf der Internationalen Funkausstellung Düsseldorf vom 29. August 1953 bis 6. September 1953 gezeigt. Das erste "Serien"-Taschen-Transistor-Radio war das Regency TR -1 , veröffentlicht im Oktober 1954. Hergestellt als Joint Venture zwischen der Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA und Texas Instruments aus Dallas, Texas, wurde der TR-1 in Indianapolis, Indiana, hergestellt. Es war ein Radio im Taschenformat mit 4 Transistoren und einer Germaniumdiode. Das Industriedesign wurde an die Chicagoer Firma Painter, Teague und Petertil ausgelagert. Es wurde zunächst in einer von sechs verschiedenen Farben veröffentlicht: Schwarz, Elfenbein, Mandarinenrot, Wolkengrau, Mahagoni und Olivgrün. Weitere Farben sollten in Kürze folgen.

Das erste "Serien"-Volltransistor-Autoradio wurde von den Konzernen Chrysler und Philco entwickelt und in der Ausgabe des Wall Street Journal vom 28. April 1955 angekündigt. Chrysler hatte das Volltransistor-Autoradio Mopar Modell 914HR ab Herbst 1955 als Option für seine neue Linie von 1956er Chrysler- und Imperial-Fahrzeugen angeboten, die am 21. Oktober 1955 erstmals in den Ausstellungsräumen der Händler auf den Markt kamen.

Das 1957 herausgebrachte Sony TR-63 war das erste in Serie produzierte Transistorradio, das zur Massenmarktdurchdringung von Transistorradios führte. Der TR-63 wurde bis Mitte der 1960er Jahre weltweit sieben Millionen Mal verkauft. Der Erfolg von Sony mit Transistorradios führte dazu, dass Transistoren in den späten 1950er Jahren die Vakuumröhre als dominierende elektronische Technologie ersetzten .

Der erste funktionierende Siliziumtransistor wurde am 26. Januar 1954 in den Bell Labs von Morris Tanenbaum entwickelt . Der erste kommerzielle Siliziumtransistor wurde 1954 von Texas Instruments hergestellt . Dies war die Arbeit von Gordon Teal , einem Experten für die Züchtung von Kristallen hoher Reinheit, der zuvor bei Bell Labs gearbeitet hatte.

MOSFET (MOS-Transistor)

Mohamed Atalla (links) und Dawon Kahng (rechts) erfanden 1959 in Bell Labs den MOSFET (MOS-Transistor).

Halbleiterunternehmen konzentrierten sich in den frühen Jahren der Halbleiterindustrie zunächst auf Sperrschichttransistoren . Der Sperrschichttransistor war jedoch ein relativ sperriges Bauteil, das in Massenproduktion schwierig herzustellen war , was ihn auf mehrere spezialisierte Anwendungen beschränkte. Feldeffekttransistoren (FETs) wurden als potenzielle Alternativen zu Sperrschichttransistoren theoretisiert, aber die Forscher konnten FETs nicht richtig funktionieren lassen, hauptsächlich aufgrund der störenden Oberflächenzustandsbarriere , die das Eindringen des externen elektrischen Felds in das Material verhinderte.

In den 1950er Jahren untersuchte der ägyptische Ingenieur Mohamed Atalla die Oberflächeneigenschaften von Siliziumhalbleitern in den Bell Labs, wo er eine neue Methode zur Herstellung von Halbleiterbauelementen vorschlug , bei der ein Siliziumwafer mit einer isolierenden Schicht aus Siliziumoxid beschichtet wurde, damit Elektrizität zuverlässig in die Leiter eindringen konnte Silizium darunter und überwindet die Oberflächenzustände, die den Strom daran hinderten, die halbleitende Schicht zu erreichen. Dies ist als Oberflächenpassivierung bekannt , ein Verfahren, das für die Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung wurde, da es später die Massenproduktion von integrierten Siliziumschaltkreisen ermöglichte . Seine Ergebnisse stellte er 1957 vor. Aufbauend auf seiner Methode der Oberflächenpassivierung entwickelte er den Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Prozess. Er schlug vor, dass der MOS-Prozess verwendet werden könnte, um den ersten funktionierenden Silizium-FET zu bauen, an dem er mit Hilfe seines koreanischen Kollegen Dawon Kahng zu arbeiten begann .

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), auch bekannt als MOS-Transistor, wurde 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng erfunden. Der MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und in Massenproduktion für a . hergestellt werden konnte breites Einsatzspektrum. Mit seiner hohen Skalierbarkeit , dem viel geringeren Stromverbrauch und der höheren Dichte als bipolare Sperrschichttransistoren ermöglichte der MOSFET den Bau von integrierten Schaltungen mit hoher Dichte , die die Integration von mehr als 10.000 Transistoren in einem einzigen IC ermöglichten.

CMOS (komplementärer MOS ) wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor erfunden . Der erste Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET wurde 1967 von Dawon Kahng und Simon Sze verfasst . Ein Double-Gate- MOSFET wurde erstmals demonstriert in 1984 von den Forschern des Elektrotechnischen Labors Toshihiro Sekigawa und Yutaka Hayashi. FinFET (Fin Field Effect Transistor), eine Art nichtplanarer 3D- Multi-Gate- MOSFET, entstand 1989 aus der Forschung von Digh Hisamoto und seinem Team am Hitachi Central Research Laboratory .

Bedeutung

Transistoren sind die wichtigsten aktiven Komponenten in praktisch jeder modernen Elektronik . Viele halten den Transistor deshalb für eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts.

Die Erfindung des ersten Transistors bei Bell Labs wurde 2009 zum IEEE Milestone gekürt. Die Liste der IEEE Milestones umfasst auch die Erfindungen des Sperrschichttransistors im Jahr 1948 und des MOSFET im Jahr 1959.

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), auch bekannt als MOS-Transistor, ist der mit Abstand am weitesten verbreitete Transistor, der in Anwendungen von Computern und Elektronik bis hin zu Kommunikationstechnologien wie Smartphones verwendet wird . Der MOSFET gilt als der wichtigste Transistor, möglicherweise als die wichtigste Erfindung der Elektronik und als Geburtsstunde der modernen Elektronik. Der MOS-Transistor ist seit dem späten 20. Jahrhundert der grundlegende Baustein der modernen Digitalelektronik und ebnet den Weg für das digitale Zeitalter . Das US-Patent- und Markenamt nennt es eine "bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur auf der ganzen Welt verändert hat". Seine Bedeutung in der heutigen Gesellschaft beruht auf seiner Fähigkeit zur Massenproduktion mit einem hochautomatisierten Prozess ( Halbleiterbauelement-Herstellung ), der erstaunlich niedrige Kosten pro Transistor erzielt. MOSFETs sind die am häufigsten produzierten künstlichen Objekte aller Zeiten mit mehr als 13 Sextillionen, die bis 2018 hergestellt wurden.

Obwohl mehrere Unternehmen jedes Jahr über eine Milliarde einzeln verpackte (sogenannte diskrete ) MOS-Transistoren herstellen, wird die überwiegende Mehrheit der Transistoren heute in integrierten Schaltkreisen (oft abgekürzt als IC , Mikrochips oder einfach Chips ) zusammen mit Dioden , Widerständen und Kondensatoren hergestellt und andere elektronische Komponenten , um komplette elektronische Schaltungen herzustellen. Ein Logikgatter besteht aus bis zu etwa zwanzig Transistoren, während ein fortschrittlicher Mikroprozessor ab 2021 bis zu 39 Milliarden Transistoren ( MOSFETs ) verwenden kann.

Die geringen Kosten, Flexibilität und Zuverlässigkeit des Transistors haben ihn zu einem allgegenwärtigen Gerät gemacht. Transistorisierte mechatronische Schaltungen haben elektromechanische Geräte in der Steuerung von Geräten und Maschinen ersetzt. Es ist oft einfacher und billiger, einen Standard- Mikrocontroller zu verwenden und ein Computerprogramm zu schreiben , um eine Steuerfunktion auszuführen, als ein gleichwertiges mechanisches System zu entwickeln, um dieselbe Funktion zu steuern.

Vereinfachte Bedienung

Ein Darlington-Transistor wurde geöffnet, sodass der eigentliche Transistorchip (das kleine Quadrat) im Inneren zu sehen ist. Ein Darlington-Transistor besteht praktisch aus zwei Transistoren auf demselben Chip. Ein Transistor ist viel größer als der andere, aber beide sind groß im Vergleich zu Transistoren in großer Integration, da dieses spezielle Beispiel für Leistungsanwendungen gedacht ist.
Ein einfacher Schaltplan, um die Bezeichnungen eines n-p-n-Bipolartransistors zu zeigen.

Ein Transistor kann ein kleines Signal verwenden, das zwischen einem seiner Klemmenpaare angelegt wird, um ein viel größeres Signal an einem anderen Klemmenpaar zu steuern. Diese Eigenschaft wird als Gewinn bezeichnet . Er kann ein stärkeres Ausgangssignal erzeugen, eine Spannung oder einen Strom, der proportional zu einem schwächeren Eingangssignal ist und somit als Verstärker fungieren kann . Alternativ kann der Transistor als elektrisch gesteuerter Schalter verwendet werden, um Strom in einer Schaltung ein- oder auszuschalten , wobei die Strommenge durch andere Schaltungselemente bestimmt wird.

Es gibt zwei Arten von Transistoren, die sich in ihrer Verwendung in einer Schaltung geringfügig unterscheiden. Ein Bipolartransistor hat Anschlüsse, die mit Basis , Kollektor und Emitter bezeichnet sind . Ein kleiner Strom am Basisanschluss (d. h. zwischen Basis und Emitter fließt) kann einen viel größeren Strom zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen steuern oder schalten. Bei einem Feldeffekttransistor sind die Anschlüsse mit Gate , Source und Drain bezeichnet , und eine Spannung am Gate kann einen Strom zwischen Source und Drain steuern.

Das Bild zeigt einen typischen Bipolartransistor in einer Schaltung. Je nach Strom in der Basis fließt eine Ladung zwischen Emitter- und Kollektoranschlüssen. Da sich Basis und Emitter intern wie eine Halbleiterdiode verhalten, entsteht bei vorhandenem Basisstrom ein Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter. Die Höhe dieser Spannung hängt vom Material des Transistors ab und wird als V BE bezeichnet .

Transistor als Schalter

BJT als elektronischer Schalter in geerdeter Emitter-Konfiguration.

Transistoren werden üblicherweise in digitalen Schaltungen als elektronische Schalter verwendet, die sich entweder in einem "Ein"- oder "Aus"-Zustand befinden können, sowohl für Hochleistungsanwendungen wie Schaltnetzteile als auch für Niederleistungsanwendungen wie Logikgatter . Wichtige Parameter für diese Anwendung sind der geschaltete Strom, die verarbeitete Spannung und die Schaltgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch die Anstiegs- und Abfallzeiten .

In einer Transistorschaltung mit geerdetem Emitter, wie der gezeigten Lichtschalterschaltung, steigen die Emitter- und Kollektorströme exponentiell an, wenn die Basisspannung ansteigt. Die Kollektorspannung sinkt aufgrund des verringerten Widerstands vom Kollektor zum Emitter. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter null (oder nahe null) wäre, würde der Kollektorstrom nur durch den Lastwiderstand (Glühbirne) und die Versorgungsspannung begrenzt. Dies wird als Sättigung bezeichnet, da der Strom frei vom Kollektor zum Emitter fließt. Wenn der Schalter gesättigt ist, wird gesagt, dass er eingeschaltet ist .

Das Bereitstellen eines ausreichenden Basistreiberstroms ist ein Schlüsselproblem bei der Verwendung von Bipolartransistoren als Schalter. Der Transistor liefert eine Stromverstärkung, wodurch ein relativ großer Strom im Kollektor durch einen viel kleineren Strom in den Basisanschluss geschaltet werden kann. Das Verhältnis dieser Ströme variiert je nach Transistortyp und variiert sogar bei einem bestimmten Typ je nach Kollektorstrom. In der gezeigten Beispiel-Lichtschalterschaltung wird der Widerstand so gewählt, dass genügend Basisstrom bereitgestellt wird, um sicherzustellen, dass der Transistor gesättigt ist.

In einem Schaltkreis besteht die Idee darin, den idealen Schalter mit den Eigenschaften eines offenen Stromkreises im ausgeschalteten Zustand, des Kurzschlusses im eingeschalteten Zustand und eines sofortigen Übergangs zwischen den beiden Zuständen so nahe wie möglich zu simulieren. Die Parameter werden so gewählt, dass der "Aus"-Ausgang auf Leckströme begrenzt ist, die zu klein sind, um die angeschlossene Schaltung zu beeinflussen, der Widerstand des Transistors im "Ein"-Zustand zu klein ist, um die Schaltung zu beeinflussen, und der Übergang zwischen den beiden Zuständen schnell genug ist sich nicht nachteilig auswirken.

Transistor als Verstärker

Verstärkerschaltung, Common-Emitter-Konfiguration mit einer Spannungsteiler-Bias-Schaltung.

Der Verstärker mit gemeinsamer Emitterschaltung ist so ausgelegt, dass eine kleine Spannungsänderung ( V in ) den kleinen Strom durch die Basis des Transistors ändert, dessen Stromverstärkung in Kombination mit den Eigenschaften der Schaltung bedeutet, dass kleine Schwankungen von V in große Änderungen von V . erzeugen aus .

Es sind verschiedene Konfigurationen von Einzeltransistorverstärkern möglich, wobei einige eine Stromverstärkung, einige eine Spannungsverstärkung und einige beides bereitstellen.

Von Mobiltelefonen bis hin zu Fernsehern umfasst eine Vielzahl von Produkten Verstärker für die Tonwiedergabe , Radioübertragung und Signalverarbeitung . Die ersten Audioverstärker mit diskreten Transistoren lieferten kaum ein paar hundert Milliwatt, aber Leistung und Klangtreue nahmen allmählich zu, als bessere Transistoren verfügbar wurden und sich die Verstärkerarchitektur weiterentwickelte.

Moderne Transistor-Audioverstärker bis zu einigen hundert Watt sind weit verbreitet und relativ preiswert.

Vergleich mit Vakuumröhren

Bevor Transistoren entwickelt wurden, waren Vakuumröhren ( oder im Vereinigten Königreich "thermionische Ventile" oder einfach "Ventile") die wichtigsten aktiven Komponenten in elektronischen Geräten.

Vorteile

Die wichtigsten Vorteile, die es Transistoren ermöglicht haben, Vakuumröhren in den meisten Anwendungen zu ersetzen, sind:

  • Keine Kathodenheizung (die das charakteristische orangefarbene Leuchten von Röhren erzeugt), reduziert den Stromverbrauch, eliminiert Verzögerungen beim Aufwärmen der Röhrenheizungen und ist immun gegen Kathodenvergiftung und -erschöpfung.
  • Sehr geringe Größe und geringes Gewicht, wodurch die Gerätegröße reduziert wird.
  • Eine große Anzahl extrem kleiner Transistoren kann als ein einziger integrierter Schaltkreis hergestellt werden .
  • Niedrige Betriebsspannungen kompatibel mit Batterien von nur wenigen Zellen.
  • Schaltungen mit höherer Energieeffizienz sind in der Regel möglich. Insbesondere bei Anwendungen mit geringer Leistung (zB Spannungsverstärkung) kann der Energieverbrauch sehr viel geringer sein als bei Röhren.
  • Komplementäre Geräte verfügbar, die Designflexibilität bieten, einschließlich komplementärer Symmetrieschaltungen , die mit Vakuumröhren nicht möglich sind.
  • Sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Stößen und Vibrationen, bietet physikalische Robustheit und eliminiert praktisch stoßinduzierte Störsignale (z. B. Mikrofonie in Audioanwendungen).
  • Nicht anfällig für Bruch einer Glashülle, Leckage, Ausgasung und andere physische Schäden.

Einschränkungen

Transistoren können die folgenden Einschränkungen haben:

  • Ihnen fehlt die höhere Elektronenbeweglichkeit, die das Vakuum von Vakuumröhren bietet, was für einen Hochleistungs-Hochfrequenzbetrieb wünschenswert ist – wie er in einigen Over-the-Air- Fernsehsendern und in Wanderfeldröhren als Verstärker in einigen verwendet wird Satelliten
  • Transistoren und andere Halbleiterbauelemente sind anfällig für Schäden durch sehr kurze elektrische und thermische Ereignisse, einschließlich elektrostatischer Entladung bei der Handhabung. Vakuumröhren sind elektrisch viel robuster.
  • Sie sind empfindlich gegenüber Strahlung und kosmischer Strahlung ( für Raumfahrzeuge werden spezielle strahlungsgehärtete Chips verwendet).
  • In Audioanwendungen fehlt Transistoren die untere harmonische Verzerrung – der sogenannte Röhrenklang  –, der für Vakuumröhren charakteristisch ist und von einigen bevorzugt wird.

Typen

Einstufung

BJT PNP-Symbol.svg PNP JFET P-Kanal Labelled.svg P-Kanal
BJT NPN symbol.svg NPN JFET N-Kanal Labelled.svg N-Kanal
BJT JFET
BJT- und JFET-Symbole
IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labeled Simplified.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg P-Kanal
IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labeled Simplified.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg N-Kanal
MOSFET-Erweiterung MOSFET dep
MOSFET-Symbole

Transistoren werden kategorisiert nach

Daher kann ein bestimmter Transistor als Silizium-, SMD-, BJT-, NPN-, Niedrigleistungs-Hochfrequenzschalter beschrieben werden .

Mnemonik

Eine bequeme Mnemonik, um sich an den Typ des Transistors (dargestellt durch ein elektrisches Symbol ) zu erinnern, beinhaltet die Richtung des Pfeils. Für den BJT , auf einem npn Transistor Symbol, wird der Pfeil " N ot P unkt i N" . Auf einem pnp- Transistorsymbol ist der Pfeil " P oints i N P roudly". Dies gilt jedoch nicht für MOSFET-basierte Transistorsymbole, da der Pfeil typischerweise umgekehrt ist (dh der Pfeil für den npn zeigt nach innen).

Feldeffekttransistor (FET)

Betrieb eines FET und seine I d - V g -Kurve. Wenn keine Gatespannung angelegt wird, befinden sich zunächst keine Inversionselektronen im Kanal, so dass das Gerät ausgeschaltet wird. Wenn die Gatespannung ansteigt, nimmt die Inversionselektronendichte im Kanal zu, der Strom steigt und somit schaltet die Vorrichtung ein.

Der Feldeffekttransistor , manchmal auch als unipolarer Transistor bezeichnet , verwendet entweder Elektronen (in n-Kanal-FET ) oder Löcher (in p-Kanal-FET ) für die Leitung. Die vier Anschlüsse des FET werden als Source , Gate , Drain und Body ( Substrat ) bezeichnet. Bei den meisten FETs ist der Körper mit der Source innerhalb des Gehäuses verbunden, und dies wird für die folgende Beschreibung angenommen.

In einem FET fließt der Drain-Source-Strom über einen leitenden Kanal, der das Source- Gebiet mit dem Drain- Gebiet verbindet. Die Leitfähigkeit wird durch das elektrische Feld variiert, das erzeugt wird, wenn eine Spannung zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen angelegt wird, daher wird der zwischen Drain und Source fließende Strom durch die zwischen Gate und Source angelegte Spannung gesteuert. Wenn die Gate-Source-Spannung ( V GS ) erhöht wird, steigt der Drain-Source-Strom ( I DS ) exponentiell für V GS unter dem Schwellenwert und dann ungefähr quadratisch: ( I DS ∝ ( V GSV T ) 2 , wobei V T die Schwellenspannung ist, bei der der Drainstrom beginnt) in der " raumladungsbegrenzten " Region oberhalb der Schwelle. Ein quadratisches Verhalten wird bei modernen Geräten, beispielsweise beim 65-nm- Technologieknoten, nicht beobachtet .

Für geringes Rauschen bei schmaler Bandbreite ist der höhere Eingangswiderstand des FET vorteilhaft.

FETs werden in zwei Familien unterteilt: Sperrschicht-FET ( JFET ) und FET mit isoliertem Gate (IGFET). Der IGFET ist besser bekannt als Metall-Oxid-Halbleiter-FET ( MOSFET ), was seinen ursprünglichen Aufbau aus Metallschichten (dem Gate), Oxid (der Isolierung) und Halbleiter widerspiegelt. Im Gegensatz zu IGFETs bildet das JFET-Gate eine p-n-Diode mit dem Kanal, der zwischen Source und Drain liegt. Funktional macht dies den n-Kanal-JFET zum Festkörperäquivalent der Vakuumröhren- Triode, die ebenfalls eine Diode zwischen ihrem Gitter und ihrer Kathode bildet . Außerdem arbeiten beide Geräte im Verarmungsmodus , sie haben beide eine hohe Eingangsimpedanz und beide leiten Strom unter der Steuerung einer Eingangsspannung.

Metall-Halbleiter-FETs ( MESFETs ) sind JFETs, bei denen der in Sperrrichtung vorgespannte p-n-Übergang durch einen Metall-Halbleiter-Übergang ersetzt ist . Diese und die HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren, kurz HFETs), bei denen ein zweidimensionales Elektronengas mit sehr hoher Ladungsträgerbeweglichkeit zum Ladungstransport verwendet wird, eignen sich besonders für den Einsatz bei sehr hohen Frequenzen (mehrere GHz).

FETs werden weiter in Typen vom Verarmungsmodus und vom Anreicherungsmodus unterteilt, je nachdem, ob der Kanal mit einer Gate-Source-Spannung von null ein- oder ausgeschaltet wird. Für den Anreicherungsmodus ist der Kanal bei Null-Vorspannung ausgeschaltet, und ein Gate-Potential kann die Leitung "verstärken". Für den Verarmungsmodus ist der Kanal bei einer Vorspannung von Null eingeschaltet, und ein Gate-Potential (mit der entgegengesetzten Polarität) kann den Kanal "verarmen", wodurch die Leitung verringert wird. Für jeden Modus entspricht eine positivere Gatespannung einem höheren Strom für n-Kanal-Bauelemente und einem niedrigeren Strom für p-Kanal-Bauelemente. Fast alle JFETs sind vom Verarmungstyp, da die Diodenübergänge in Durchlassrichtung vorspannen und leiten würden, wenn sie Bauelemente vom Anreicherungstyp wären, während die meisten IGFETs vom Anreicherungstyp sind.

Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET)

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET, MOS-FET oder MOS-FET), auch bekannt als Metall-Oxid-Silizium-Transistor (MOS-Transistor oder MOS), ist eine Art Feldeffekttransistor, der hergestellt durch die kontrollierte Oxidation eines Halbleiters , typischerweise Silizium . Es hat ein isoliertes Gate , dessen Spannung die Leitfähigkeit des Geräts bestimmt. Diese Fähigkeit, die Leitfähigkeit mit der Höhe der angelegten Spannung zu ändern, kann zum Verstärken oder Schalten elektronischer Signale genutzt werden . Der MOSFET ist der bei weitem gebräuchlichste Transistor und der Grundbaustein modernster Elektronik . Der MOSFET macht 99,9 % aller Transistoren der Welt aus.

Bipolarer Sperrschichttransistor (BJT)

Bipolar - Transistoren werden so genannt , weil sie durch Verwendung beide Mehrheit und Minderheit führen Träger . Der Bipolartransistor, der erste massenproduzierte Transistortyp, ist eine Kombination aus zwei Sperrschichtdioden und besteht entweder aus einer dünnen Schicht eines p-Typ-Halbleiters, der zwischen zwei n-Typ-Halbleitern (einem n-p-n Transistor) oder eine dünne Schicht aus n-Typ-Halbleiter, die zwischen zwei p-Typ-Halbleitern liegt (ap-n-p-Transistor). Diese Konstruktion erzeugt zwei p-n-Übergänge : einen Basis-Emitter-Übergang und einen Basis-Kollektor-Übergang, getrennt durch einen dünnen Halbleiterbereich, der als Basisbereich bekannt ist. (Zwei Sperrschichtdioden, die miteinander verdrahtet sind, ohne sich einen dazwischenliegenden halbleitenden Bereich zu teilen, ergeben keinen Transistor).

BJTs haben drei Anschlüsse, die den drei Halbleiterschichten entsprechen – einen Emitter , eine Basis und einen Kollektor . Sie sind in Verstärkern nützlich , da die Ströme am Emitter und Kollektor durch einen relativ kleinen Basisstrom steuerbar sind. In einem n-p-n-Transistor, der im aktiven Bereich arbeitet, ist der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt ( Elektronen und Löcher rekombinieren am Übergang) und der Basis-Kollektor-Übergang ist in Sperrrichtung vorgespannt (Elektronen und Löcher werden an weg vom Übergang) und Elektronen werden in den Basisbereich injiziert. Da die Basis schmal ist, diffundieren die meisten dieser Elektronen in den in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Übergang und werden in den Kollektor geleitet; vielleicht wird ein Hundertstel der Elektronen in der Basis rekombinieren, was der vorherrschende Mechanismus im Basisstrom ist. Da die Basis außerdem leicht dotiert ist (im Vergleich zu den Emitter- und Kollektorbereichen), sind die Rekombinationsraten niedrig, wodurch mehr Ladungsträger über den Basisbereich diffundieren können. Durch Steuern der Anzahl der Elektronen, die die Basis verlassen können, kann die Anzahl der in den Kollektor eintretenden Elektronen gesteuert werden. Der Kollektorstrom beträgt ungefähr β (Common-Emitter-Stromverstärkung) mal den Basisstrom. Sie ist bei Kleinsignaltransistoren typischerweise größer als 100, kann jedoch bei Transistoren, die für Hochleistungsanwendungen ausgelegt sind, kleiner sein.

Im Gegensatz zum Feldeffekttransistor (siehe unten) ist der BJT ein Gerät mit niedriger Eingangsimpedanz. Ebenso wie die Basis-Emitter - Spannung ( V BE ) ist die Basis-Emitter - Strom und damit der Kollektor-Emitter - Strom (erhöhte I CE ) erhöhen sich exponentiell gemäß der Shockley - Diode Modell und dem Ebers-Moll - Modell . Aufgrund dieser exponentiellen Beziehung hat der BJT eine höhere Transkonduktanz als der FET.

Bipolartransistoren können durch Lichteinwirkung leitend gemacht werden, da die Absorption von Photonen im Basisbereich einen Photostrom erzeugt, der als Basisstrom wirkt; der Kollektorstrom beträgt ungefähr das β-fache des Photostroms. Zu diesem Zweck konzipierte Geräte haben ein transparentes Fenster im Gehäuse und werden als Fototransistoren bezeichnet .

Verwendung von MOSFETs und BJTs

Der MOSFET ist bei weitem der am weitesten verbreitete Transistor sowohl für digitale als auch für analoge Schaltungen und macht 99,9 % aller Transistoren der Welt aus. Der Bipolartransistor (BJT) war in den 1950er bis 1960er Jahren der am häufigsten verwendete Transistor. Auch nachdem MOSFETs in den 1970er Jahren weit verbreitet waren, blieb der BJT aufgrund seiner größeren Linearität der Transistor der Wahl für viele analoge Schaltungen wie Verstärker, bis MOSFET-Geräte (wie Leistungs-MOSFETs , LDMOS und RF-CMOS ) sie für die meisten Leistungen ersetzten elektronische Anwendungen in den 1980er Jahren. In integrierten Schaltungen ermöglichten die wünschenswerten Eigenschaften von MOSFETs ihnen, in den 1970er Jahren fast den gesamten Marktanteil für digitale Schaltungen zu erobern. Diskrete MOSFETs (typischerweise Leistungs-MOSFETs) können in Transistoranwendungen eingesetzt werden, einschließlich analoger Schaltungen, Spannungsregler, Verstärker, Leistungsübertrager und Motortreiber.

Andere Transistortypen

Normen/Spezifikationen für die Teilenummerierung

Die Transistortypen können anhand der Teilenummer analysiert werden. Es gibt drei Hauptbenennungsstandards für Halbleiter. In jedem gibt das alphanumerische Präfix Hinweise auf den Gerätetyp.

Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC)

Das amerikanische JEDEC- Teilenummerierungsschema wurde in den 1960er Jahren entwickelt. Die Nummern der JEDEC EIA-370- Transistorgeräte beginnen normalerweise mit "2N", was auf ein Gerät mit drei Anschlüssen hindeutet (Dual-Gate -Feldeffekttransistoren sind Geräte mit vier Anschlüssen, beginnen Sie also mit 3N), dann eine 2, 3 oder 4-Ziffer fortlaufende Nummer ohne Bedeutung für die Geräteeigenschaften (obwohl frühe Geräte mit niedrigen Nummern dazu neigen, Germanium zu sein). Zum Beispiel 2N3055 ist ein Silizium - n-p-n - Leistungstransistor ist 2N1301 ap-n-p - Germanium - Schalttransistor. Ein Buchstabensuffix (wie "A") wird manchmal verwendet, um eine neuere Variante anzuzeigen, aber selten Gruppierungen.

JEDEC-Präfixtabelle
Präfix Typ und Verwendung
1N zweipoliges Gerät, wie Dioden
2N Gerät mit drei Anschlüssen, wie Transistoren oder Einzelgate- Feldeffekttransistoren
3N Gerät mit vier Anschlüssen, wie z. B. Dual-Gate-Feldeffekttransistoren

Japanischer Industriestandard (JIS)

Die japanische JIS-C-7012- Spezifikation für Transistor-Teilenummern beginnt mit "2S", zB 2SD965, aber manchmal ist das "2S"-Präfix nicht auf der Verpackung markiert – ein 2SD965 ist möglicherweise nur mit "D965" gekennzeichnet; ein 2SC1815 könnte von einem Lieferanten einfach als "C1815" aufgeführt sein. Diese Serie hat manchmal Suffixe (wie "R", "O", "BL", steht für "red", "orange", "blue" usw.), um Varianten zu bezeichnen, wie z. B. engere h FE (Gain)-Gruppierungen .

JIS-Transistorpräfixtabelle
Präfix Typ und Verwendung
2SA Hochfrequenz p–n–p BJT
2SB Tonfrequenz p–n–p BJT
2SC hochfrequent n–p–n BJT
2SD Tonfrequenz n–p–n BJT
2SJ P-Kanal-FET (sowohl JFET als auch MOSFET)
2SK N-Kanal-FET (sowohl JFET als auch MOSFET)

Europäischer Verband der Hersteller elektronischer Komponenten (EECA)

Das europäische EECA - Teilenummernschema wurde von Pro Electron bei der Fusion mit EECA im Jahr 1983 geerbt. Dieses Teilenummerierungsschema beginnt mit zwei Buchstaben: Der erste gibt den Halbleitertyp an (A für Germanium, B für Silizium und C für Materialien wie GaAs). ; der zweite Buchstabe bezeichnet den Verwendungszweck (A für Diode, C für Allzwecktransistor usw.). Es folgt eine 3-stellige Sequenznummer (oder ein Buchstabe, dann zwei Ziffern, für Industrietypen). Bei frühen Geräten deutete dies auf den Gehäusetyp hin. Suffixe können mit einem Buchstaben verwendet werden (zB "C" bedeutet oft hohe h FE , wie in: BC549C) oder andere Codes können folgen, um die Verstärkung (zB BC327-25) oder die Nennspannung (zB BUK854-800A) anzuzeigen. Die gebräuchlicheren Präfixe sind:

EECA-Transistor-Präfixtabelle
Präfix Typ und Verwendung Beispiel Äquivalent Referenz
AC Germanium , Kleinsignal- NF- Transistor AC126 NTE102A
ANZEIGE Germanium, NF- Leistungstransistor AD133 NTE179
AF Germanium, Kleinsignal- HF- Transistor AF117 NTE160
AL Germanium, HF- Leistungstransistor ALZ10 NTE100
WIE Germanium, Schalttransistor ASY28 NTE101
AU Germanium, Leistungsschalttransistor AU103 NTE127
BC Silizium , Kleinsignaltransistor ("General Purpose") BC548 2N3904 Datenblatt
BD Silizium, Leistungstransistor BD139 NTE375 Datenblatt
BF Silizium, RF (Hochfrequenz) BJT oder FET BF245 NTE133 Datenblatt
BS Silizium, Schalttransistor (BJT oder MOSFET ) BS170 2N7000 Datenblatt
BL Silizium, Hochfrequenz, hohe Leistung (für Sender) BLW60 NTE325 Datenblatt
BU Silizium, Hochspannung (für CRT- Horizontalablenkschaltungen) BU2520A NTE2354 Datenblatt
CF Galliumarsenid , Kleinsignal- Mikrowellentransistor ( MESFET CF739 Datenblatt
CL Galliumarsenid, Mikrowellen- Leistungstransistor ( FET ) CLY10 Datenblatt

Proprietär

Gerätehersteller können ihr proprietäres Nummerierungssystem haben, zum Beispiel CK722 . Da Geräte aus zweiter Quelle stammen , ist ein Herstellerpräfix (wie "MPF" in MPF102, das ursprünglich einen Motorola FET bezeichnen würde ) jetzt ein unzuverlässiger Indikator dafür, wer das Gerät hergestellt hat. Einige proprietäre Benennungsschemata übernehmen Teile anderer Benennungsschemata, zum Beispiel ist ein PN2222A ein (möglicherweise Fairchild Semiconductor ) 2N2222A in einem Kunststoffgehäuse (aber ein PN108 ist eine Kunststoffversion eines BC108, kein 2N108, während der PN100 nicht mit andere xx100-Geräte).

Militärteilenummern werden manchmal mit ihren Codes versehen, wie zum Beispiel dem British Military CV Naming System .

Hersteller, die ähnliche Teile in großen Stückzahlen kaufen, können diese mit "Hausnummern" beliefern lassen, die eine bestimmte Einkaufsspezifikation identifizieren und nicht unbedingt ein Gerät mit einer standardisierten registrierten Nummer. Zum Beispiel ist ein HP-Teil 1854,0053 ein (JEDEC) 2N2218-Transistor, dem auch die CV-Nummer zugewiesen ist: CV7763

Namensprobleme

Bei so vielen unabhängigen Benennungsschemata und der Abkürzung von Teilenummern beim Aufdruck auf den Geräten treten manchmal Mehrdeutigkeiten auf. Zum Beispiel können zwei verschiedene Geräte mit "J176" gekennzeichnet sein (einer der J176- JFET mit niedriger Leistung , der andere der leistungsstärkere MOSFET 2SJ176).

Da ältere "Durchgangsloch"-Transistoren oberflächenmontierte Gegenstücke erhalten, werden ihnen in der Regel viele verschiedene Teilenummern zugewiesen, da die Systeme der Hersteller mit der Vielfalt der Pinbelegungsanordnungen und Optionen für duales oder angepasstes n–p–n + . fertig werden müssen p–n–p-Geräte in einem Paket. Auch wenn das Originalgerät (wie ein 2N3904) möglicherweise von einer Normungsbehörde zugewiesen wurde und den Ingenieuren im Laufe der Jahre gut bekannt ist, sind die neuen Versionen in ihrer Namensgebung alles andere als standardisiert.

Konstruktion

Halbleitermaterial

Eigenschaften des Halbleitermaterials

Halbleitermaterial
Junction
Vorwärtsspannung
V @ 25 ° C
Elektronenbeweglichkeit
m 2 /(V·s) @ 25 °C
Lochbeweglichkeit
m 2 /(V·s) @ 25 °C
max.
Verbindungstemp.
°C
Ge 0,27 0,39 0,19 70 bis 100
Si 0,71 0,14 0,05 150 bis 200
GaAs 1,03 0,85 0,05 150 bis 200
Al-Si-Übergang 0,3 150 bis 200

Die ersten BJTs wurden aus Germanium (Ge) hergestellt. Silizium (Si) Typen derzeit vorherrschen , aber bestimmte erweitern Mikrowellen- und Hochleistungsversionen verwenden nun das Verbindungshalbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) und die Halbleiterlegierung Silizium-Germanium (SiGe). Einzelelement-Halbleitermaterial (Ge und Si) wird als elementar bezeichnet .

Die groben Parameter für die gebräuchlichsten Halbleitermaterialien, die zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, sind in der nebenstehenden Tabelle angegeben. Diese Parameter ändern sich mit einem Anstieg der Temperatur, des elektrischen Felds, des Verunreinigungsgrads, der Belastung und verschiedener anderer Faktoren.

Die Sperrschicht-Durchlassspannung ist die Spannung, die an den Emitter-Basis-Übergang eines BJT angelegt wird, damit die Basis einen bestimmten Strom leitet. Der Strom nimmt exponentiell zu, wenn die Durchlassspannung der Sperrschicht erhöht wird. Die in der Tabelle angegebenen Werte sind typisch für einen Strom von 1 mA (für Halbleiterdioden gelten die gleichen Werte). Je niedriger die Sperrschicht-Durchlassspannung, desto besser, da dies bedeutet, dass weniger Leistung zum "Antreiben" des Transistors benötigt wird. Die Sperrschicht-Durchlassspannung für einen gegebenen Strom nimmt mit steigender Temperatur ab. Für einen typischen Siliziumübergang beträgt die Änderung –2,1 mV/°C. In einigen Schaltungen müssen spezielle Ausgleichselemente ( Sensoren ) verwendet werden, um solche Änderungen zu kompensieren.

Die Dichte mobiler Ladungsträger im Kanal eines MOSFET ist eine Funktion des den Kanal bildenden elektrischen Felds und verschiedener anderer Phänomene, wie beispielsweise des Störstellenpegels im Kanal. Einige Verunreinigungen, sogenannte Dotierstoffe, werden bei der Herstellung eines MOSFET absichtlich eingeführt, um das elektrische Verhalten des MOSFET zu steuern.

Die Spalten Elektronenmobilität und Lochmobilität zeigen die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der Elektronen und Löcher durch das Halbleitermaterial diffundieren, wenn ein elektrisches Feld von 1 Volt pro Meter über das Material angelegt wird. Im Allgemeinen kann der Transistor umso schneller arbeiten, je höher die Elektronenmobilität ist. Die Tabelle zeigt, dass Ge in dieser Hinsicht ein besseres Material als Si ist. Allerdings weist Ge im Vergleich zu Silizium und Galliumarsenid vier große Mängel auf:

  1. Seine maximale Temperatur ist begrenzt.
  2. Es hat einen relativ hohen Leckstrom .
  3. Es kann hohen Spannungen nicht standhalten.
  4. Es ist weniger geeignet für die Herstellung integrierter Schaltungen.

Da die Elektronenbeweglichkeit bei allen Halbleitermaterialien höher ist als die Lochbeweglichkeit , ist ein gegebener bipolarer n-p-n-Transistor tendenziell schneller als ein äquivalenter p-n-p-Transistor . GaAs hat die höchste Elektronenbeweglichkeit der drei Halbleiter. Aus diesem Grund wird GaAs in Hochfrequenzanwendungen verwendet. Eine relativ neue FET-Entwicklung, der Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT), hat eine Heterostruktur (Übergang zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien) aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs)-Gallium-Arsenid (GaAs), die die doppelte Elektronenbeweglichkeit eines GaAs- Sperrschicht aus Metall. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und ihres geringen Rauschens werden HEMTs in Satellitenempfängern verwendet, die bei Frequenzen um 12 GHz arbeiten. HEMTs auf Basis von Galliumnitrid und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN/GaN-HEMTs) bieten eine noch höhere Elektronenbeweglichkeit und werden für verschiedene Anwendungen entwickelt.

Die maximalen Sperrschichttemperaturwerte stellen einen Querschnitt dar, der den Datenblättern verschiedener Hersteller entnommen wurde. Diese Temperatur sollte nicht überschritten werden, da sonst der Transistor beschädigt werden kann.

Al-Si-Übergang bezieht sich auf die Hochgeschwindigkeits-(Aluminium-Silizium)-Metall-Halbleiter-Sperrdiode, die allgemein als Schottky-Diode bekannt ist . Dies ist in der Tabelle enthalten, da einige Silizium-Leistungs-IGFETs eine parasitäre umgekehrte Schottky-Diode aufweisen, die als Teil des Herstellungsprozesses zwischen Source und Drain gebildet wird. Diese Diode kann störend sein, wird aber manchmal in der Schaltung verwendet.

Verpackung

Verschiedene diskrete Transistoren
Sowjetische KT315b- Transistoren

Diskrete Transistoren können einzeln verpackte Transistoren oder unverpackte Transistorchips (Dies) sein.

Transistoren gibt es in vielen verschiedenen Halbleitergehäusen (siehe Bild). Die beiden Hauptkategorien sind Durchgangsloch (oder bedrahtet ) und Oberflächenmontage , auch bekannt als Oberflächenmontagevorrichtung ( SMD ). Das Ball Grid Array ( BGA ) ist das neueste oberflächenmontierbare Gehäuse (derzeit nur für große integrierte Schaltkreise). Es hat auf der Unterseite "Lotkugeln" anstelle von Kabeln. Da sie kleiner sind und kürzere Verbindungen haben, haben SMDs bessere Hochfrequenzeigenschaften, aber niedrigere Nennleistungen.

Transistorgehäuse bestehen aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff. Das Paket bestimmt oft die Nennleistung und die Frequenzeigenschaften. Leistungstransistoren haben größere Gehäuse, die zur besseren Kühlung an Kühlkörper geklemmt werden können . Außerdem ist bei den meisten Leistungstransistoren der Kollektor oder der Drain physisch mit dem Metallgehäuse verbunden. Im anderen Extrem sind einige oberflächenmontierte Mikrowellentransistoren so klein wie Sandkörner.

Oft ist ein bestimmter Transistortyp in mehreren Gehäusen erhältlich. Transistorgehäuse sind hauptsächlich standardisiert, die Zuordnung der Funktionen eines Transistors zu den Anschlüssen jedoch nicht: andere Transistortypen können den Anschlüssen des Gehäuses andere Funktionen zuweisen. Auch beim gleichen Transistortyp kann die Anschlussbelegung variieren (normalerweise durch einen Zusatzbuchstaben an der Teilenummer gekennzeichnet, qe BC212L und BC212K).

Heutzutage gibt es die meisten Transistoren in einer breiten Palette von SMT-Gehäusen, im Vergleich dazu ist die Liste der verfügbaren Durchgangslochgehäuse relativ klein, hier eine Auswahl der gängigsten Durchgangsloch-Transistorgehäuse in alphabetischer Reihenfolge: ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851.

Unverpackte Transistorchips (Die) können zu Hybridvorrichtungen zusammengebaut werden. Das IBM SLT- Modul der 1960er Jahre ist ein Beispiel für ein solches Hybridschaltungsmodul, das einen glaspassivierten Transistor-(und Dioden-)Chip verwendet. Andere Verpackungstechniken für diskrete Transistoren als Chips umfassen Direct Chip Attach (DCA) und Chip-on-Board (COB).

Flexible Transistoren

Forscher haben verschiedene Arten flexibler Transistoren hergestellt, darunter organische Feldeffekttransistoren . Flexible Transistoren sind in einigen Arten von flexiblen Displays und anderer flexibler Elektronik nützlich .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Bücher
  • Horowitz, Paul & Hill, Winfield (2015). Die Kunst der Elektronik (3 Hrsg.). Cambridge University Press. ISBN 978-0521809269.CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  • Amos SW, James MR (1999). Prinzipien von Transistorschaltungen . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4427-3.
  • Riordan, Michael & Hoddeson, Lillian (1998). Kristallfeuer . WW Norton & Company Limited. ISBN 978-0-393-31851-7. Die Erfindung des Transistors & die Geburt des Informationszeitalters
  • Warnes, Lionel (1998). Analoge und digitale Elektronik . Macmillan Press Ltd. ISBN 978-0-333-65820-8.
  • Der Leistungstransistor - Temperatur- und Wärmeübertragung ; 1. Aufl.; John McWane, Dana Roberts, Malcom Smith; McGraw-Hügel; 82 Seiten; 1975; ISBN  978-0-07-001729-0 . (Archiv)
  • Transistorschaltungsanalyse - Theorie und Lösungen für 235 Probleme ; 2. Aufl.; Alfred Gronner; Simon und Schuster; 244 Seiten; 1970. (Archiv)
  • Transistorphysik und -schaltungen ; RL Riddle und MP Ristenbatt; Lehrlingshalle; 1957.
Zeitschriften
Datenbücher

Externe Links

Pinbelegungen