Halbleiter, Dioden und Transistoren

Halbleiter sind die zentralen Komponenten der Elektronikbranche von heute. Zu den Elektronikbauteilen auf Grundlage der Halbleitertechnologie gehören „diskrete Bauteile“, einschließlich vieler verschiedener Arten von Transistoren wie beispielsweise bipolare Transistoren oder MOSFETs, oder Dioden wie Licht Emittierende Dioden (LEDs) sowie eine wachsende Anzahl an analogen oder digitalen „integrierten Schaltungen“ (Integrated Circuits, ICs). Anders als diskrete Halbleiterbauteile können integrierte Schaltungen beispielsweise Millionen von Transistoren in großen Mikroprozessorchips enthalten.

Genaugenommen handelt es sich bei einem Halbleiter nicht um ein Bauteil, sondern um einen Werkstoff, wie beispielsweise Silizium. Silizium ist heute in der Elektronik der am häufigsten verwendete Werkstoff, aber es gibt noch viele andere, wie beispielsweise Germanium. Ein Halbleiter liegt zwischen einem sehr guten Leiter wie Kupfer und einem sehr guten Nichtleiter wie Kunststoff oder Glas. Daher leitet er teilweise elektrischen Strom, in Abhängigkeit von der elektrischen Stimulation in eine bestimmte Richtung. Diese Werkstoffe eignen sich daher optimal für die Verwendung als Elektronikschalter, wenn diese Funktion erforderlich ist, also entweder als Leiter oder als Nichtleiter, um damit beispielsweise die binären Einheiten 1 oder 0 für Digitale Systeme zu liefern.

Was ist eine Diode?

Eine Halbleiterdiode ist ein diskretes Halbleiterbauteil und war das erste zur Verfügung stehende elektronische Bauelement auf Halbleiterbasis. Eine Diode ist ein Halbleiter mit einem p-n-Übergang, der mit zwei elektrischen Anschlüssen verbunden ist. Der p–n-Übergang ist eine elementare Verbindung in den meisten Halbleiterbauteilen wie Dioden und Transistoren. Ein p–n-Übergang ist eine Grenze oder Schnittstelle zwischen zwei Arten von Halbleitern: p-dotierten und n-dotierten Halbleitern, die durch die Auf Einbringung von Verunreinigungen gebildet werden.

Die Diode besitzt „asymmetrische“ Eigenschaften: Sie setz dem Stromfluss in eine Richtung weist einen geringen (idealerweise keinen) Widerstand entgegen und einen hohen (idealweise unendlichen) Widerstand in die andere Richtung. Die nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien von Dioden lassen sich durch die Verwendung verschiedener Werkstoffe und die Einbringung von Verunreinigungen auf diese Werkstoffe weiter anpassen. Dies wird auch als Dotieren bezeichnet und erfüllt verschiedener Funktionen.

Die häufigste Funktion einer Diode ist der Durchlass eines elektrischen Stroms in einer Richtung (Durchlassrichtung) bei gleichzeitiger Sperrung des Stroms in der Gegenrichtung (Sperrrichtung). Dioden werden meist in elektrischen Schaltkreisen, beispielsweise in einer Diodenbrücke, zum „Gleichrichten“ von Signalen bei der Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom verwendet. Außerdem können Dioden auch verwendet werden, um Strom zu leiten, solange eine bestimmte Schwellenspannung in Durchlassrichtung (oder Vorspannung) anliegt. Der Spannungsabfall an einer in Durchlassrichtung vorgespannten Diode variiert nur leicht mit dem Strom, in Abhängigkeit von der Temperatur. Dadurch lassen sich Dioden beispielsweise auch als Temperaturfühler verwenden. Es steht eine Reihe verschiedener Diodentypen zur Verfügung (Beschreibung im Folgenden). Dazu gehören PIN-, Konstantstrom-, TVS-, Zener-, Schottky- und Gleichrichterdioden.

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Was ist eine PIN-Diode?

Eine PIN-Diode ist eine Halbleiterdiode mit einem breiten und nur sehr schwach dotierten Bereich zwischen dem p-dotierten und dem n-dotierten Bereich. Durch diesen breiten „Zwischenbereich“ ist die PIN-Diode im Gegensatz zu einer herkömmlichen p-n-Diode eher als Schnellschalter oder Dämpfer* in der Hochspannungs-Leistungselektronik als als Gleichrichter geeignet.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von PIN-Dioden gehören: • Diodenkonfiguration Einzel, Doppelt, gemeinsame Kathode oder gemeinsame Anode • Zielanwendungen wie Dämpfer oder Schalter • Betriebsfrequenzbereich: VHF, UHF oder SHF • Durchlassstrom (max.) • Durchlassspannung (max.) • Sperrspannung (max.)

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Was ist eine Konstantstrom-Ddiode?

Eine Konstantstrom-Diode oder Strombegrenzungsdiode besteht aus einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET)*, dessen Gate mit dem Source-Anschluss direkt verbunden ist. Sie wirkt wie ein zweipoliger Strombegrenzer und lässt den Strom nur bis zu einem bestimmten Wert durch. Ab einem definierten Wert wird abgesperrt.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Konstantstrom-Dioden gehören:

• Diodenkonfiguration Doppelt, mit gemeinsamer Anode • Strom (max.) (bei einer Spannung unter der Betriebsspitzenspannung) • Strombegrenzungs-Durchschlagspannung • Konstantstrombegrenzte Spannung (max.)

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Was ist eine TVS-Diode?

Suppressordioden (TVS-Dioden, Transient Voltage Suppressor-Dioden) dienen zum Schutz der Elektronik vor transienten Überspannungen oder Spannungsspitzen. Diese Bauteile „überbrücken“ übermäßigen Strom, wenn die Spannung das Lawinendurchbruch-Potenzial übersteigt, und unterdrücken so alle Spannungen über der Durchschlagspannung. Im Allgemeinen reagieren TVS-Dioden schneller auf Überspannungen als andere Überspannungsschutz-Bauteile wie beispielsweise Varistoren.

Zu den wichtigsten Eigenschaften einer TVS-Diode gehören:

• Bauelementekonfiguration Doppelt, mit gemeinsamer Anode • Spannung bei Nennstrom • Impulsstrom (max.) • Leitungsspannung • Strombegrenzungs-Durchschlagspannung • Spannungsschwellwert für Leitungssperrung

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Was ist eine Zenerdiode?

Während herkömmliche Dioden nur den Stromdurchfluss in eine Richtung zulassen, weicht die Zenerdiode von dieser Regel ab. Sie ermöglicht den Stromdurchfluss in Durchflussrichtung genau wie eine Gleichrichter-Diode. Bei einer Spannung über der Durchschlagspannung lässt sie jedoch auch einen Strom-duDurchfluss in Gegenrichtung zu. Zenerdioden werden meist verwendet, um eine Referenzspannung für Spannungsregler zu liefern, oder um andere Halbleiterbauteile vor vorübergehenden Spannungsimpulsen zu schützen.

Zu den wichtigsten Eigenschaften einer Zenerdiode gehören:

• Bauelementekonfiguration Doppelt, mit gemeinsamer Anode • Verschiedene Typen wie Stoßentladungs-Zener oder Spannungsregler • Spannungstoleranz • Spannungsdrift je nach Temperatur • Impedanz (max.)

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Was ist eine Schottky-Diode?

Eine Schottky-Diode, auch „Hot-Carrier-Diode“ genannt“, verfügt über einen geringen Abfall der Durchlassspannung und eine sehr schnelle Schaltleistung. Wenn ein Strom durch eine Diode fließt, tritt ein geringer Spannungsabfall an den Diodenanschlüssen auf. Während der Spannungsabfall bei einer herkömmlichen Silizium-Ddiode zwischen 0,6 und 1,7 Volt beträgt, liegt er bei einer Schottky-Diode bedeutend geringer, vielleicht zwischen 0,15 und 0,45 V. Dadurch wird eine bedeutend höhere Schaltgeschwindigkeit und Systemeffizienz erreicht.

Zu den wichtigsten Eigenschaften einer Schottkydiode gehören:

• Geräte-Konfiguration einschließlich Dual oder gemeinsamer Anode • Rückwärtswiederherstellungszeit • Vorwärtsspannung • Rückstrom

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Was ist eine Gleichrichterdiode?

Gleichrichter werden zwar in vielen Arten von Schaltungen eingesetzt, ihre Hauptaufgabe liegt jedoch in der Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). Dies wird als Gleichrichtung bezeichnet. Gleichrichter werden meist als Bauteile in AC/DC-Netzteilen und Hochspannungs-Gleichstromübertragungssystemen verwendet. Das Gegenstück zu einem Gleichrichter ist ein Wechselrichter, bei dem durch eine komplexere Schaltung die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom erreicht wird.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Gleichrichterdioden gehören:

• Art der Schaltung, wie Schaltdiode • Bauelementekonfiguration Einzel, Doppelt, gemeinsame Kathode oder gemeinsame Anode • Dauerstrom (max.) in Durchflussrichtung • Sperrspannung (max.), die ohne Schaden aufrecht erhalten werden kann • Durchlassspannung (max.)

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Was ist ein Transistor?

Der Transistor ist ein wesentlicher Bestandteil aller modernen Elektronikprodukte. Dieses elementare Bauteil befindet sich in allen elektronischen Anlagen. Transistoren können einzeln verpackt als „diskrete Bauteile“ oder zu Hunderten, Tausenden oder sogar Millionen in integrierten Schaltungen wie Mikroprozessoren enthalten sein. Ihre ständig abnehmende Größe und die Möglichkeit, eine noch bessere Integration zu erzielen, haben zu einer bedeutenden Verbesserung der Rechenleistung im Laufe der letzten 60 Jahre geführt.

Der Transistor besitzt zwei Grundfunktionen: Er regelt den Strom- oder Spannungsdurchfluss und lässt sich zur „Verstärkung“ und/oder „Schaltung“ elektronischer Signale und elektrischer Leistung verwenden. Er besteht aus Halbleiterwerkstoffen und verfügt über mindestens drei Anschlüsse, zum Einbinden in einen externen Stromkreis. Wenn eine Spannung oder ein Strom an ein Anschlusspaar des Transistors angelegt wird, ändert sich der Stromfluss durch ein anderes Anschlusspaar. Ein Transistor kann ein Signal verstärken, da die geregelte (Ausgangs-)Leistung höher sein kann als die Regelleistung (Eingangsleistung).

Was ist ein bipolarer Transistor?

Ein bipolarer Transistor, auch Bipolartransistor, Sperrschichttransistor oder BJT (Bipolar Junction Transistor), ist ein Transistor, der zwei in Reihe geschaltete p-n-Übergänge enthält, entweder als n–p–n-Übergang oder als p–n–p-Übergang. Bipolartransistoren werden im Allgemeinen zur Verstärkung von analogen oder digitalen Signalen verwendet, zusätzlich zur Verwendung als Schalter oder in Oszillatoren. Sie werden als einzelne diskrete Bauteile oder in großen Mengen in integrierten Schaltungen verwendet.

Es bestehen Kontakte an allen drei Bereichen: Die beiden Außenbereiche werden als Emitter und Kollektor und der mittlere Bereich als Basis bezeichnet. Ein Bipolartransistor verstärkt den Strom, kann jedoch auch in Stromkreisen zur Verstärkung der Spannung oder Leistung eingesetzt werden. Der Kollektor-Emitter-Strom wird im Wesentlichen durch den Basis-Emitter-Strom (Stromregelung) oder durch die Basis-Emitter-Spannung (Spannungsregelung) geregelt.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Bipolartransistoren gehören:

• Transistorart, wie n–p–n oder p–n–p • Transistorkonfiguration, Doppelt, mit gemeinsamer Basis • Anzahl Transistoren pro Bauelement • Kollektorstrom (max.) • Kollektor-Emitter-Spannung, VCE (max.) • Verlustleistung (max.) • Stromverstärkung (min.)

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Was ist ein Darlington-Transistor?

Ein Darlington-Transistor, oder eine Darlington-Schaltung, enthält zwei bipolare Transistoren. Diese können entweder in einem Bauelement integriert oder als diskrete Bauelemente so miteinander verbunden sein, dass der durch den ersten Transistor verstärkte Strom durch den zweiten weiter verstärkt wird. Diese Konfiguration ermöglicht eine wesentlich höhere gemeinsame/Emitter-Verstärkung als bei einzelnen Transistoren. Integrierte Darlington-Schaltungen stehen als diskrete Standard-Pakete oder als ein Array in einer integrierten Schaltung zur Verfügung.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Darlington-Transistoren gehören:

• Transistorart, wie n–p–n oder p–n–p • Transistorkonfiguration, Doppelt, mit gemeinsamer Basis • Kollektorstrom (max.) • Kollektor-Emitter-Spannung, VCE (max.) • Basis-Emitter-Spannung bei Sättigung, VBE (ges.) (max.) • Stromverstärkung (min.)

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Was ist ein JFET?

Ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist die einfachste Art Feldeffekttransistor (und die Grundlage für einen MOSEFT) und wird als Schalter oder spannungsgesteuerter Widerstand verwendet. Die Ladung fließt durch einen Kanal zwischen Source und Drain.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von JFET-Transistoren gehören: • Transistorart, wie n–p–n oder p–n–p • Bauelementekonfiguration wie Doppelt oder Dual Drain • Drain-Strom (max.) • Drain-Source-Spannung, VDS (max.) • Gate-Source-Spannung, VGS (max.) • Gate-Drain-Spannung, VGD (max.)

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Was ist ein MOSFET?

Ein MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein Transistor, der zum Verstärken oder Schalten elektronischer Signale dient. Auch wenn es sich beim MOSFET um ein Vierleiter-Bauelement mit Source-, Gate-, Drain- und Gehäuse-Anschlüssen handelt, wird das Gehäuse (oder Substrat) des MOSFET normalerweise an den Source-Anschluss angeschlossen, sodass es sich um ein Dreileiter-Bauelement handelt. Der MOSFET ist inzwischen der am häufigsten verwendete Transistor für digitale und analoge Schaltkreise.

Der MOSFET verfügt über eine bessere Schaltleistung als der Bipolartransistor. Es handelt sich um ein spannungsgesteuertes Bauelement, das so gut wie keine Energie zur Erhaltung der Leitfähigkeit benötigt und somit energiesparender ist als der Bipolartransistor. In hochintegrierten Bauteilen werden MOSFET-Transistoren in CMOS-Technologie (Complementary MOS) verwendet. Dabei bedeutet die beträchtlich geringere Größe, dass Millionen dieser Bauelemente in integrierten Schaltungen gepackt werden können.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von MOSFETs gehören:

• Transistorart, wie n–p–n oder p–n–p • Drain-Strom (max.) • Drain-Source-Spannung, VDS (max.) • Gate-Source-Spannung, VGS (max.) • Drain-Source-Widerstand RDS (EIN) (max.)

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Was ist ein IGBT?

Ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ist im Wesentlichen ein Leistungstransistor mit hoher Effizienz und schneller Schaltleistung, der häufig in der Leistungselektronik für die Motorsteuerung, Beleuchtung sowie anderen Anwendungen in der Industrie- und Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommt. Der IGBT verfügt über eine hohe Eingangsimpedanz und eine geringe Ausgangsimpedanz und verbindet die Vorteile von Leistungs-MOSFETs und Bipolartransistoren, indem er hohe Durchlassströme eines bipolaren Transistors bei mit der Benutzerfreundlichkeit eines MOSFET verbindet.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von IGBTs gehören:

• Bauelementekonfiguration wie Doppelt oder Array • Transistorart, wie n–p–n oder p–n–p • Kollektorstrom (max.) • Kollektor-Emitter-Spannung, VCE (max.) • Gate-Emitter-Spannung, VGE (max.) • Schaltgeschwindigkeit (max.)

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Was bedeutet Packaging?

Diskrete Halbleiter werden in Packages (meist Kunststoff, Keramik, Metall oder Glas) geliefert, die zum Schutz des Halbleiters (meist Silizium) dienen. Das Package/Gehäuse bietet Schutz und enthält die Kontaktstifte oder Leitungen oder Blöcke, mit denen das Bauelement an externe Schaltkreise angeschlossen wird. Das Package ist auch wichtig zur Ableitung von im Bauelement erzeugter Wärme. Es steht eine Vielfalt an verschiedenen Halbleiter-Packages zur Verfügung, und die Wahl ist vor allem von Größe, Anzahl Kontakte/Blöcke und Leistungsverlust sowie anderen Eigenschaften abhängig.

Im Allgemeinen gibt es Packages für die Durchsteck-Technologie, bei denen Bauteile mit Drahtstiften oder Leitungen durch Bohrungen in der Leiterplatte gesteckt werden, und Packages für die SMD-Technik, die eine hervorragende Methode zur Platzersparnis darstellt, da die Bauteile direkt auf der Oberfläche der Leiterplatten montiert und über Blöcke oder Kugeln verbunden werden.

Zusätzlich zu den oben genannten gibt es auch spezielle Gehäuse , für wie beispielsweise LEDs (Licht emittierende Dioden) oder Lichtsensoren, bei denen das Package ein „Fenster“ enthalten muss.

Glossar mit anderen Begriffen Dämpfer –Schaltung zur Verringerung der Signalstärke ohne größere Beeinträchtigung der Wellenform. Leiterplatte –nicht leitende Platine, mit der elektronische Bauteile (wie diskrete Halbleiter oder integrierte Schaltungen) oder passive Bauelemente (wie Kondensatoren, Induktivität oder Widerstände) über leitende Kupferbahnen verbunden werden, um einen elektrischen Schaltkreis zu bilden.