Diskrete Halbleiter

Was sind diskrete Halbleiter?

Diskrete Halbleiter sind individuelle Bauteile und nicht als Bestandteil eines vorgefertigten Schaltkreises erhältlich. Zu diskreten Bauteilen zählen unter anderem Transistoren,  Dioden, Gleichrichter und viele weitere. Manche sind als modulare Zubehörteile erhältlich, die mühelos in bestehende Schaltkreise integriert werden können.

Einige der diskreten Halbleiter sind so aufgebaut, dass sie Funktionen ausführen können, die denen von zwei verschiedenen und in einer bestimmten Konfiguration miteinander verbundenen Geräte sehr ähnlich sind. Auf diese Weise kann der Platzbedarf auf einer Platine gesenkt werden, während zugleich auf wichtige Funktionen, die bisher zahlreiche Komponenten erforderlich machten, mit nur einem einzigen Bauteil zugegriffen werden kann.

Bei diskreten Halbleitern hängt ein Großteil der Funktionalität von der Anordnung der Halbleiter innerhalb des Gerätes ab. Thyristoren, zum Beispiel, zeichnen sich durch ihre vier Schichten halbleitenden Materials mit N- und P-Materialien in abwechselnder Reihenfolge aus.

Einige diskrete Halbleiter waren einst weit verbreitet in Produkten für den Endverbraucher – zum Beispiel in Röhrenverstärkern –, mittlerweile sind sie jedoch vorrangig in industriellen Anwendungen zu finden. Derartige Geräte sind allgemein bei Spezialanbietern erhältlich: Manche von ihnen sind bei Hobby-Elektronikern und bei experimentierfreudigen Bastlern besonders beliebt und finden nur selten in der Praxis Anwendung.

Wie unterscheiden sich diskrete Halbleiter von anderen Halbleitern?

Viele Halbleiter sind als Teil eines Schaltkreises erhältlich, oftmals in einem IC. Diese Schaltkreise sind üblicherweise in der Lage, unbestimmt viele verschiedene Funktionen in einem Gerät auszuführen – was sie erheblich von diskreten Halbleitern unterscheidet.

Ein diskreter Halbleiter verfügt über eine grundlegende Funktion, die nicht in andere Funktionen unterteilt werden kann. Ein IC, zum Beispiel, kann über einen Transistor, eine Diode und diverse andere Komponenten verfügen, die sowohl eigenständig als auch in einer Einheit als Schaltkreis verschiedene Funktionen ausführen können. Ein diskreter Halbleiter kann im Gegensatz nur eine einzige Funktion ausführen. Ein Transistor, beispielsweise, wird immer ein Transistor bleiben und kann nur Funktionen ausführen, die einem Transistor zugeschrieben werden.

Heutzutage werden die meisten Halbleiter als Teil eines Integrierten Schaltkreises erworben. Bei einigen Anwendungen jedoch bietet ein diskreter Halbleiter die bestmögliche Lösung für die technischen Anforderungen und spielt deshalb eine wichtige Rolle auf dem Markt für Elektrobauteile

Da es sich hierbei um diskrete Bauteile handelt, müssen einige von ihnen zusammen mit anderen Geräten bestellt werden, um deren gewünschte Funktionalität in jedem beliebigen Schaltkreis erzielen zu können. Die Funktionen von Halbleitergeräten reichen von Leistungsregulierung bis hin zum Einsatz als Schalter und vielem mehr. Bei manchen Anwendungen bleiben die Kosten für die Erstellung eines Prototyps sowie die Produktion, dank der Möglichkeit, diskrete Halbleiter zu beziehen, im Rahmen.

Welche Arten diskreter Halbleiter gibt es?

Diskrete Halbleiter sind sehr elementare Teile der Elektrotechnik und sind in den verschiedensten Formen erhältlich. Diese Halbleiter können in den allermeisten Fällen preisgünstig bezogen werden.

Bipolare Transistoren

Diese Geräte sind oftmals in analoge Schaltkreise integriert. Sie werden „bipolar“ genannt, da ihre Träger sowohl negative als auch positive Ladungen verwenden. Bei Halbleitern bedeutet das, dass sowohl Elektronen als auch Löcher in deren Betrieb eine Rolle spielen. Bipolare Transistoren sind in den meisten Fällen stark in Schaltkreise eingebettet, sind bei den meisten Händlern aber auch einzeln erhältlich.

Brückengleichrichter

Ein Brückengleichrichter besteht aus mehreren Dioden, die in einer bestimmten Konfiguration angeordnet sind: einer Brücke. Diese Brücke ist in der Lage, eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln – eine grundlegende Funktion für die meisten Elektrogeräte. Diese Geräte arbeiten mit einem Wechselstromeingang mit zwei Drähten, verfügen im Aufbau über zwei Dioden und bieten Vollwellengleichrichtung.

Konstantstromdioden

Konstantstromdioden unterscheiden sich dadurch von anderen Dioden, dass sie den Strom regulieren – und nicht die Spannung. Der Strom, der durch diese Diode fließt, erreicht einen bestimmten Grenzwert und wird dann von der Diode auf diesem Niveau gehalten. Diese Dioden hören auf vielerlei verschiedene Namen, wie zum Beispiel „stromregulierende Diode“ (CRD, a. d. Engl.: current-regulating diodes), „strombegrenzende Diode“ (CLD, a. d. Engl.: current-limiting diodes) und „als Diode geschalteter Transistor“.

Darlington-Transistoren

Darlington-Transistoren sind im Grunde genommen zwei Transistoren in Einem. Beide dienen dazu, den erhaltenen Strom zu verstärken. Der erste Transistor hebt den Strom auf ein bestimmtes Niveau, während der Zweite ihn weiter verstärkt. Die Lösung mit einem Darlington-Transistor bietet den Vorteil, dass ein solches Bauteil weniger Platz benötigt als zwei Transistoren, die als diskrete Einheiten geschaltet wären. Dies sind diskrete Bauteile, die letztlich den Platz zweier anderer diskreter Bauteile einnehmen.

DIACs

DIACs werden häufig als Trigger von Thyristoren eingesetzt. Darüber hinaus werden sie auch als Trigger von TRIACs verwendet. DIACs sind selbst Thyristoren, unterscheiden sich von den meisten anderen aber durch das Fehlen einer Gate-Elektrode.

Digitale Transistoren

Ein digitaler Transistor hat lediglich zwei mögliche Status in einem Schaltkreis: Entweder vollständig an, genannt Sättigung, oder vollständig aus, auch Cut-Off genannt.

Elektronenröhren Trioden

Elektronenröhren Trioden sind eine Art Vakuumröhre, die oftmals mit Radio-Empfängern in Verbindung gebracht wird. Diese Röhren sind ausgestattet mit einer verstärkenden Triode. Die zwei in der Konstruktion der Röhre integrierten Dioden dienen zum einen als Gleichrichter und zum anderen als Detektor.

Transistoren ESBT bipolar

Bei einem Transistor ESBT bipolar handelt es sich im Grunde genommen um zwei Transistoren in einem. Die Konstruktion erlaubt der Komponente, hohe Spannungen zu blockieren und mit sehr hoher Geschwindigkeit zu laufen.

TRIAC Steuermodule

TRIAC Steuermodule übernehmen die Phasensteuerung von Schaltkreisen. Sie werden allgemein nach ihrer Ampere-Zahl klassifiziert.

HEMT-Transistoren

Diese Einheiten sind häufig in elektronische Geräte integriert, so zum Beispiel in Mobiltelefonen, Radar-Equipment und ähnlichen Geräten, deren Funktionen sehr hohe Geschwindigkeiten erfordern. HEMT-Transistoren sind schneller als herkömmliche Transistoren. Sie sind sogenannte Feldeffektransistoren, deren Funktion auf einer Kombination verschiedener Materialien in der Herstellung beruht.

IGBT-Transistormodule

IGBT-Transistormodule können mühelos in einen bestehenden Schaltkreis integriert werden und ermöglichen die Integration der hohen Schaltgeschwindigkeiten von IGBT-Transistoren in verschiedenen Geräten. Diese hocheffizienten Geräte sind in großem Maße verantwortlich für die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Geräte in den letzten Jahrzehnten.

IGBT-Transistoren

IGBT-Transistoren bieten ausgesprochen kurze Schaltzeiten. Diese Halbleiter mit drei Terminal-Power-Setups werden oftmals in Filtern und Geräten zur Erzeugung komplexerer Wellenformen eingesetzt. Dies sind höchst effiziente Bauteile.

JFET-Transistoren

JFET kommt aus dem Englischen und steht für „junction gate field effect transistor“, zu Deutsch: Sperrschicht-Feldeffekttransistor. Sie kommen häufig bei Schaltanwendungen zum Einsatz, wenngleich sie auch als spannungsabhängiger Widerstand verwendet werden können. Sie verfügen über Drain- und Source-Anschlüsse und können entweder einen Widerstand an den elektrischen Strom anlegen oder – wenn in einem anderen Modus eingesetzt – den elektrischen Strom gänzlich abschalten.

MOSFET-Transistoren

MOSFET-Transistoren zählen zu den insgesamt am häufigsten verwendeten Transistoren. Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich sowohl über analoge als auch über digitale Schaltkreise. Dies sind Feldeffekttransistoren mit vier Anschlüssen, von denen die meiste Zeit drei Anschlüsse verkabelt sind. In vielen Fällen werden zwei der vier Anschlüsse innerhalb des Geräts kurzgeschlossen. Diese Anordnung wird derart häufig verwendet, dass diese Geräte in Schaltplänen in der Regel mit drei Anschlüssen abgebildet werden. In dem Design der Geräte sind Body-, Drain-, Gate- und Source-Anschlüsse berücksichtigt.

Elektronenröhren Pentoden

Wie der Name vermuten lässt, verfügen Elektronenröhren Pentoden über fünf integrierte Elektroden. Die meisten dieser Geräte sind aufgebaut wie eine Vakuumröhre mit drei Verstärkungsrastern. Der Aufbau ist althergebracht und wurde zum ersten Mal in den 1920er-Jahren dokumentiert. Heutzutage werden diese Geräte oftmals in industriellen Settings mit hoher Leistung eingesetzt.

PIN-Dioden

PIN-Dioden werden sehr häufig in Hochspannungsanwendungen und in Anwendungen mit sehr kurzen Schaltzeiten eingesetzt. Sie unterscheiden sich von anderen Dioden durch eine eigenleitende Halbleiter-Schicht zwischen einer P- und N-Typ Halbleiter-Schicht.

Gleichrichter- & Schottky-Dioden

Schottky-Dioden zeichnen sich durch ihre sehr kurzen Schaltzeiten und ihre geringen Spannungsabfall aus. Diese Dioden haben viel mit herkömmlichen Detektoren gemein und so können diese Geräte in der Tat als eine Art Vorreiter dieser Art von Dioden angesehen werden. Der geringe Spannungsabfall ermöglicht den Dioden die Anwendung in Bereichen mit sehr kurzen Schaltzeiten.

Dioden SIDAC

Eine SIDAC-Diode ähnelt stark einer DIAC, kann jedoch höhere Stromstärken verarbeiten und verfügt über eine höhere Durchbruchspannung. Die Abkürzung SIDAC kommt aus dem Englischen und steht für „Silicone Diode for Alternating Current“. Eine SIDAC-Diode ist eine Art Thyristor. Erreicht bzw. übersteigt die an diesen Geräten anliegende Spannung die Durchbruchspannung, ändert sich das vormals nichtleitende Gerät in ein leitfähiges. Fällt der Strom hingegen wieder unterhalb des entsprechenden Schwellenwertes, wird die Diode wieder nichtleitend.

Schaltdioden

Schaltdioden verfügen über einen hohen elektrischen Widerstand, sofern die angelegte Spannung unterhalb der Spannung liegt, auf die die Dioden ausgelegt sind. Steigt die Spannung über den jeweiligen Schwellenwert, fällt der Widerstand. Somit können Schaltdioden als Schalter eingesetzt werden.

Röhrensockel Thermionic

Diese Geräte wurden inzwischen zum größten Teil von sogenannten Solid-state-Alternativen ersetzt, darunter Dioden und Transistoren. Sie werden jedoch noch immer in Hochfrequenz-Transmittern und in manch anderen Anwendungen eingesetzt. Röhrensockel Thermionic können ein elektrisches Signal modifizieren bzw. erzeugen oder ein elektronisches Signal verstärken bzw. schalten.

Thyristormodule

Thyristormodule sind dasselbe wie gesteuerte Silizium-Gleichrichter. Diese Geräte arbeiten als Schalter. Empfängt das Gate an dem Gerät einen elektrischen Impuls, schaltet es auf den An-Zustand um. In diesem Zustand verharrt es, bis die Spannung aufgehoben wird. Diese Geräte bestehen aus vier Schichten halbleitenden Materials, wobei sich die Schichten mit halbleitendem Material des P- und N-Typs jeweils abwechseln.

Thyristor Power Controller

Thyristor Power Controller werden als Trigger-Controller eingesetzt und können digitalen Schaltkreisen einen gewissen Schutz bieten. Steigt die Ausgangsspannung über einen bestimmten Wert, kann der Thyristor den Schaltkreis unterbrechen und so die Komponenten schützen.

Thyristor-Triggermodule

Thyristor-Triggermodule sind Geräte, mit denen ein Thyristor getriggert werden kann, und können somit für vielerlei Anwendungen – darunter auch Schalt-Anwendungen – eingesetzt werden. Die Wahl des Moduls hängt von verschiedenen Kriterien ab; unter anderem davon, ob sie auf hohe Stromstärken oder hochgradig induktive Schaltkreise ausgelegt sind oder nicht.

Thyristoren

In jedem Thyristor befinden sich vier Schichten halbleitenden Materials, die wiederum abwechselnd aus N- und P-Halbleitern bestehen. Diese Geräte werden als Schalter eingesetzt. Erreicht die Stromstärke einen bestimmten Wert, wird das Gerät leitend und verbleibt in diesem Zustand, bis die Spannung invertiert wird. Sie werden häufig zur Leistungssteuerung eingesetzt.

TRIAC Thyristortrioden

TRIAC Thyristortrioden werden als elektronische Schalter verwendet: Sie sind bidirektional und ermöglichen die Leitung elektrischen Stroms in beide Richtungen.  Die Funktion dieser Geräte ähnelt der eines Paars gesteuerter Silizium-Gleichrichter in einer invers-parallelen Konfiguration, beziehungsweise der von Gates eines Gleichrichters.

Suppressordioden TVS

TVS kommt aus dem Englischen und steht für „transient voltage suppression" („vorübergehende Spannungsunterdrückung“). TVS Dioden sind Dioden, die in der Regel als Schutzvorrichtung eingesetzt werden: Sie verhindern Beschädigungen elektronischer Bauteile durch Spannungsspitzen. Steigt die Spannung durch das Gerät über einen bestimmten Grenzwert, schaltet es den Überstrom ab. Sobald die Spannung von dem Gerät entfernt wurde, gibt es den Stromfluss wieder frei. Geräte dieser Art werden aufgrund der Methode, wie sie den Stromfluss durch einen Schaltkreis einschränken, oftmals mit einer Klemmvorrichtung verglichen.

UJT-Transistoren

UJT-Transistoren (UJT a. d. Engl.: unijunction, dt.: Sperrschicht) verfügen über drei Anschlüsse, aber lediglich einen Übergang. Sie verwenden N-Typ Halbleiter an der Basis und P-Typ Halbleiter an dem Emitter. UJT-Transistoren wurden einst in Oszillatoren verwendet, und erfreuten sich besonders bei Hobbybastlern großer Beliebtheit. Heutzutage werden sie vorwiegend verwendet, um Thyristoren zu triggern.

Varactor Kapazitätsdioden

Auch bekannt als Varicap Dioden, Dioden mit variabler Kapazität und Abstimmdioden. Diese Geräte werden als Kapazitatoren verwendet, die über die angelegte Spannung gesteuert werden. Varacter Kapazitätsdioden werden weitläufig in Fernsehgeräten, Mobiltelefonen und anderen Geräten mit FM-Sendern bzw. FM-Empfängern eingesetzt. Ihre Kapazität variiert mit steigender bzw. sinkender Spannung.

Zener Dioden

Zener Dioden werden allgemein überall dort eingesetzt, wo eine Spannung begrenzt, Schutz vor zu hoher Spannung an einem Schaltkreis geboten oder eine Spannungsreferenz benötigt wird. Diese Dioden sind sehr weit verbreitete Bauteile in elektronischen Geräten.