Transistor

Ein Transistor fungiert als Halbleiterbauelement zum Verstärken oder Schalten elektrischer Signale und Leistung. Es stellt einen grundlegenden Bestandteil moderner elektronischer Systeme dar. Typischerweise aus Halbleitermaterial gefertigt, verfügt es über mindestens drei Anschlüsse zur Integration in einen elektronischen Schaltkreis. Das Anlegen einer Spannung oder eines Stroms an ein Paar Anschlüsse des Transistors reguliert den Stromfluss über ein anderes Paar. Diese Regulierungsfähigkeit ermöglicht eine Signalverstärkung, da die resultierende (Ausgangs-)Leistung die steuernde (Eingangs-)Leistung übersteigen kann. Während einige Transistoren als diskrete Einheiten gekapselt sind, werden deutlich mehr Transistoren miniaturisiert und in komplexe Schaltkreise integriert. Aufgrund ihrer zentralen Rolle als aktive Elemente in nahezu allen modernen elektronischen Geräten gelten Transistoren weithin als eine der bedeutendsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts.

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das zum Verstärken oder Schalten elektrischer Signale und Leistung verwendet wird. Es ist einer der Grundbausteine ​​moderner Elektronik. Es besteht aus Halbleitermaterial und verfügt in der Regel über mindestens drei Anschlüsse zum Anschluss an einen elektronischen Schaltkreis. Eine an ein Anschlusspaar des Transistors angelegte Spannung oder ein Strom steuert den Strom durch ein anderes Anschlusspaar. Da die gesteuerte (Ausgangs-)Leistung höher sein kann als die steuernde (Eingangs-)Leistung, kann ein Transistor ein Signal verstärken. Einige Transistoren sind einzeln verpackt, viele weitere in Miniaturform sind jedoch in integrierte Schaltkreise eingebettet. Da Transistoren die wichtigsten aktiven Komponenten in praktisch der gesamten modernen Elektronik sind, betrachten viele Menschen sie als eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts.

Im Jahr 1925 konzipierte der Physiker Julius Edgar Lilienfeld den Feldeffekttransistor (FET); Allerdings war der praktische Gerätebau zu dieser Zeit nicht realisierbar. Das erste funktionsfähige Gerät, ein Punktkontakttransistor, wurde 1947 von den Physikern John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley in den Bell Labs entwickelt, eine Leistung, für die sie 1956 gemeinsam den Nobelpreis für Physik erhielten. Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der derzeit am weitesten verbreitete Transistortyp, entstand zwischen 1955 und 1960 in den Bell Labs. Das Aufkommen von Transistoren veränderte die Elektronikindustrie tiefgreifend und ermöglichte die Entwicklung kompakterer und wirtschaftlicherer Radios, Taschenrechner, Computer und verschiedener anderer elektronischer Geräte.

Die meisten Transistoren werden aus hochreinem Silizium hergestellt, einige verwenden Germanium; Dennoch werden gelegentlich auch andere Halbleitermaterialien verwendet. Transistoren können nach ihren Ladungsträgermechanismen kategorisiert werden: Feldeffekttransistoren (FETs) verwenden typischerweise einen einzigen Ladungsträgertyp, während Bipolartransistoren (BJTs) zwei unterschiedliche Typen verwenden. Im Vergleich zu Vakuumröhren sind Transistoren im Allgemeinen kompakter und weisen im Betrieb einen geringeren Stromverbrauch auf. Bei Anwendungen, die außergewöhnlich hohe Betriebsfrequenzen oder -spannungen erfordern, behalten jedoch bestimmte Vakuumröhrenkonstruktionen wie Wanderfeldröhren und Gyrotrons Vorteile gegenüber Transistoren. Zahlreiche Transistorvarianten werden von mehreren Herstellern nach standardisierten Spezifikationen hergestellt.

Verlauf

Die thermionische Triode, eine 1907 entwickelte Vakuumröhre, ermöglichte die Weiterentwicklung der verstärkten Funktechnologie und der Ferntelefonie. Trotz ihrer Nützlichkeit zeichnete sich die Triode durch ihre Zerbrechlichkeit und ihren erheblichen Stromverbrauch aus. Im Jahr 1909 entdeckte der Physiker William Eccles den Quarzdiodenoszillator. Julius Edgar Lilienfeld, ein weiterer Physiker, meldete 1925 in Kanada ein Patent für einen Feldeffekttransistor (FET) an und stellte sich diesen als Festkörperalternative zur Triode vor. Anschließend meldete er in den Jahren 1926 und 1928 entsprechende Patente in den Vereinigten Staaten an. Dennoch veröffentlichte Lilienfeld weder Forschungspublikationen zu seinen Geräten, noch enthielt seine Patentdokumentation konkrete Beispiele betriebsfähiger Prototypen. Da die Herstellung hochwertiger Halbleitermaterialien noch Jahrzehnte in der Zukunft lag, wären Lilienfelds Konzepte für Festkörperverstärker in den 1920er und 1930er Jahren praktisch nicht umsetzbar gewesen, selbst wenn ein Gerät gebaut worden wäre. Ein vergleichbares Gerät wurde 1934 in Europa vom Erfinder Oskar Heil patentiert.

Bipolartransistoren

Zwischen dem 17. November und dem 23. Dezember 1947 führten John Bardeen und Walter Brattain Experimente in den Bell Labs von AT&T in Murray Hill, New Jersey durch. Sie beobachteten, dass das Anbringen von zwei Goldpunktkontakten an einem Germaniumkristall ein Signal erzeugte, bei dem die Ausgangsleistung die Eingangsleistung überstieg. William Shockley, Leiter der Solid State Physics Group, erkannte die Bedeutung dieser Entdeckung und widmete die folgenden Monate der wesentlichen Weiterentwicklung des Halbleiterwissens. Die Nomenklatur Transistor wurde von John R. Pierce eingeführt und als Kunstwort von Transwiderstand abgeleitet. Lillian Hoddeson und Vicki Daitch berichten, dass Shockley dafür plädierte, dass das ursprüngliche Transistorpatent von Bell Labs auf dem Feldeffektprinzip basieren sollte, wobei er selbst als Erfinder genannt wurde. Das Rechtsteam von Bell Labs warnte jedoch vor Shockleys Vorschlag, nachdem es Lilienfelds Patente aus Jahrzehnten zuvor wiederentdeckt hatte, und stellte fest, dass das Konzept eines Feldeffekttransistors, der ein elektrisches Feld als Gitter nutzt, nicht neu sei. Folglich handelte es sich bei der Erfindung von Bardeen, Brattain und Shockley im Jahr 1947 konkret um den ersten Punktkontakttransistor. In Anerkennung dieser bahnbrechenden Leistung erhielten Shockley, Bardeen und Brattain 1956 gemeinsam den Nobelpreis für Physik für „ihre Forschungen zu Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“.

Shockleys Team versuchte zunächst, einen Feldeffekttransistor (FET) zu konstruieren, indem es versuchte, die Halbleiterleitfähigkeit zu modulieren. Diese Bemühungen erwiesen sich als erfolglos, vor allem aufgrund von Herausforderungen im Zusammenhang mit Oberflächenzuständen, freien Bindungen und den Eigenschaften von Germanium- und Kupferverbindungsmaterialien. Die Untersuchung der zugrunde liegenden Ursachen dieses Versagens führte anschließend zur Erfindung sowohl bipolarer Punktkontakt- als auch Sperrschichttransistoren.

Im Jahr 1948 wurde der Punktkontakttransistor unabhängig von den Physikern Herbert Mataré und Heinrich Welker bei der in Paris ansässigen Westinghouse-Tochtergesellschaft Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse entwickelt. Mataré verfügte über Erfahrung in der Herstellung von Kristallgleichrichtern aus Silizium und Germanium für deutsche Radarsysteme während des Zweiten Weltkriegs. Mit diesem Wissen begann er 1947 mit der Erforschung des Phänomens der Interferenz. Im Juni 1948 erzielte Mataré durch die Beobachtung von Strömen durch Punktkontakte reproduzierbare Ergebnisse mit von Welker hergestellten Germaniumproben, was die früheren Erfolge von Bardeen und Brattain im Dezember 1947 widerspiegelte. Als das Unternehmen die frühere Erfindung des Transistors durch Bell Labs erkannte, beschleunigte das Unternehmen die Produktion desselben Transistron für verstärkte Anwendungen im französischen Telefonnetz und reichte am 13. August 1948 seinen ersten Transistron-Patentantrag ein.

William Shockley von Bell Labs wird die Erfindung der ersten Bipolartransistoren zugeschrieben, für die er am 26. Juni 1948 einen Patentantrag (2.569.347) einreichte. Anschließend, am 12. April 1950, Bell Labs Den Chemikern Gordon Teal und Morgan Sparks gelang es, einen funktionellen Germaniumtransistor mit bipolarem NPN-Übergang und Verstärker herzustellen. Bell kündigte die Entwicklung dieses neuartigen Sandwich-Transistors in einer Pressemitteilung vom 4. Juli 1951 öffentlich an.

Der erste Hochfrequenztransistor, der Germaniumtransistor mit Oberflächenbarriere, wurde 1953 von Philco entwickelt und demonstrierte seine Einsatzfähigkeit bei Frequenzen von bis zu 60 MHz. Bei seiner Herstellung wurden von beiden Seiten mit Indium(III)-Sulfat-Strahlen Vertiefungen in eine Germaniumbasis vom n-Typ geätzt, bis das Material eine Dicke von einigen Zehntausendstel Zoll erreichte. In diese Vertiefungen wurde dann Indium galvanisiert, um die Kollektor- und Emitterkomponenten zu bilden.

AT&T integrierte Transistoren erstmals im Jahr 1953 in Telekommunikationsgeräte, insbesondere im No. 4A Toll Crossbar Switching System. Diese Transistoren erleichterten die Auswahl von Fernleitungen basierend auf Routing-Informationen, die auf Übersetzerkarten codiert waren. Der Vorläufer des Systems, der Fototransistor Nr. 3A von Western Electric, erfüllte eine ähnliche Funktion, indem er mechanische Codierungen von gestanzten Metallkarten las.

INTERMETALL, ein 1952 von Herbert Mataré gegründetes Unternehmen, stellte den ersten Prototypen eines Taschentransistorradios auf der Internationalen Funkausstellung in Düsseldorf vor, die vom 29. August bis 6. September 1953 stattfand. Anschließend folgte das erste Serienmodell eines Taschentransistorradios, das Regency TR-1 veröffentlicht im Oktober 1954. Dieses Gerät entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen der Regency Division of Industrial Development Engineering Associates (I.D.E.A.) und Texas Instruments aus Dallas, Texas, wobei die Herstellung in Indianapolis, Indiana, stattfand. Das TR-1 war ein kompaktes, fast taschengroßes Radio mit vier Transistoren und einer einzelnen Germaniumdiode. Sein Industriedesign wurde von der in Chicago ansässigen Firma Painter, Teague und Petertil in Auftrag gegeben. Ursprünglich wurde es in sechs Farboptionen angeboten: Schwarz, Elfenbein, Mandarinenrot, Wolkengrau, Mahagoni und Olivgrün. Kurz darauf wurden weitere Farben eingeführt.

Das erste serienmäßige Alltransistor-Autoradio war eine gemeinsame Entwicklung der Unternehmen Chrysler und Philco und wurde in der Ausgabe des Wall Street Journal vom 28. April 1955 angekündigt. Anschließend bot Chrysler ab Herbst 1955 das Mopar-Modell 914HR als optionale Ausstattung für seine neuen Chrysler- und Imperial-Fahrzeuglinien von 1956 an, die am 21. Oktober 1955 in den Ausstellungsräumen der Händler erhältlich waren.

Das 1957 auf den Markt gebrachte Sony TR-63 war das erste in Serie hergestellte Transistorradio und trug wesentlich zur weiten Verbreitung solcher Geräte bei. Bis Mitte der 1960er Jahre wurden weltweit sieben Millionen TR-63-Einheiten verkauft. Der kommerzielle Erfolg von Sony mit Transistorradios trug maßgeblich zum Übergang von Vakuumröhren zu Transistoren als vorherrschender elektronischer Technologie in den späten 1950er Jahren bei.

Morris Tanenbaum entwickelte am 26. Januar 1954 in den Bell Labs den ersten funktionsfähigen Siliziumtransistor. Anschließend kündigte Texas Instruments im Mai 1954 den ersten kommerziellen Siliziumtransistor in Serie an. Diese Leistung wurde Gordon Teal zugeschrieben, einem Spezialisten für die Züchtung hochreiner Kristalle war zuvor bei Bell Labs beschäftigt.

Feldeffekttransistoren

Das grundlegende Konzept des Feldeffekttransistors (FET) wurde ursprünglich vom Physiker Julius Edgar Lilienfeld formuliert, der 1926 Patente für ein Gerät anmeldete, das einem MESFET ähnelte, und 1928 für einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate. Anschließend erhielt das FET-Konzept theoretische Beiträge vom Ingenieur Oskar Heil in den 1930er Jahren und von William Shockley in den 1940er Jahren.

Heinrich Welker sicherte sich 1945 ein Patent für den JFET. Nach Shockleys theoretischer Darstellung des JFET im Jahr 1952 wurde 1953 von George C. Dacey und Ian M. erfolgreich ein funktionsfähiger und praktischer JFET hergestellt. Ross.

1948 patentierten Bardeen und Brattain in den Bell Labs einen Vorläufer des MOSFET: einen Insulated-Gate-FET (IGFET) mit einer Inversionsschicht. Dieses Patent, insbesondere das Konzept einer Inversionsschicht, untermauert moderne CMOS- und DRAM-Technologien.

Während der Anfangsphase der Halbleiterindustrie lag das Hauptaugenmerk auf dem Sperrschichttransistor, einem vergleichsweise sperrigen Gerät, dessen Massenproduktion sich als schwierig erwies, wodurch sein Nutzen auf eine begrenzte Anzahl spezialisierter Anwendungen beschränkt war. Obwohl Feldeffekttransistoren (FETs) als praktikable Alternativen angesehen wurden, stießen die Forscher auf Schwierigkeiten, ihren ordnungsgemäßen Betrieb zu erreichen, was in erster Linie auf eine Oberflächenzustandsbarriere zurückzuführen ist, die das Eindringen des externen elektrischen Feldes in das Halbleitermaterial behindert.

Der MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

Im Jahr 1955 bildeten Carl Frosch und Lincoln Derick versehentlich eine Siliziumdioxidschicht auf einem Siliziumwafer und beobachteten anschließend Oberflächenpassivierungseffekte. Bis 1957 stellten Frosch und Derick mithilfe von Maskierungs- und Vorabscheidungstechniken erfolgreich Siliziumdioxid-Feldeffekttransistoren her. Dabei handelte es sich um die ersten Planartransistoren, die sich durch die benachbarte Platzierung ihrer Drain- und Source-Anschlüsse auf derselben Oberfläche auszeichneten. Ihre Arbeit zeigte, dass Siliziumdioxid sowohl Isolierung als auch Schutz für Siliziumwafer bietet und die Diffusion von Dotierstoffen in das Substrat wirksam verhindert. Anschließend untersuchten J. R. Ligenza und W. G. Spitzer die Mechanismen thermisch gewachsener Oxide, stellten erfolgreich einen hochwertigen Si/SiO₂-Stapel her und veröffentlichten ihre Ergebnisse im Jahr 1960.

Aufbauend auf dieser Forschung schlugen Mohamed Atalla und Dawon Kahng 1959 einen Silizium-MOS-Transistor vor und demonstrierten anschließend 1960 mit ihrem Bell Labs-Team ein funktionsfähiges MOS-Gerät Das Team bestand aus E. E. LaBate und E. I. Povilonis, verantwortlich für die Geräteherstellung; M. O. Thurston, L. A. D'Asaro und J. R. Ligenza, die die Diffusionsprozesse vorangetrieben haben; und H. K. Gummel und R. Lindner, die die Gerätecharakterisierung durchführten. Der MOSFET zeichnete sich durch seine überlegene Skalierbarkeit, seinen deutlich geringeren Stromverbrauch und seine höhere Dichte im Vergleich zu bipolaren Sperrschichttransistoren aus und ermöglichte die Schaffung hochdichter integrierter Schaltkreise, die die Integration von über 10.000 Transistoren in einen einzigen integrierten Schaltkreis ermöglichten.

Das 1948 von Bardeen und Brattain eingeführte Inversionsschichtkonzept stellt das Grundprinzip der modernen CMOS-Technologie dar. Der komplementäre MOS (CMOS) wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor entwickelt. Dawon Kahng und Simon Sze präsentierten 1967 den ersten Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET.

1967 entwickelten Robert Kerwin, Donald Klein und John Sarace, Forscher bei Bell Labs, den selbstausrichtenden Gate-MOS-Transistor (Silizium-Gate). Anschließend nutzten Federico Faggin und Tom Klein, Forscher bei Fairchild Semiconductor, diese Innovation, um den ersten integrierten Silizium-Gate-MOS-Schaltkreis zu entwickeln.

Die erste Demonstration eines Doppel-Gate-MOSFET erfolgte 1984 durch die Forscher des Electrotechnical Laboratory, Toshihiro Sekigawa und Yutaka Hayashi. Der FinFET (Fin-Feldeffekttransistor), eine besondere Kategorie von nichtplanaren 3D-Multi-Gate-MOSFET, entstand 1989 aus den Forschungsbemühungen von Digh Hisamoto und seinem Team am Hitachi Central Research Laboratory.

Signifikanz

Angesichts der Tatsache, dass Transistoren als zentrale aktive Komponenten in praktisch allen modernen elektronischen Geräten dienen, gelten sie weithin als eine der bedeutendsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts.

Die Erfindung des ersten Transistors in den Bell Labs im Jahr 1947 wurde 2009 zum IEEE-Meilenstein erklärt. Weitere IEEE-Meilensteine umfassen die Entwicklung des Sperrschichttransistors im Jahr 1948 und des MOSFET im Jahr 1959.

Der MOSFET ist der vorherrschende Transistortyp und wird häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Computer, allgemeine Elektronik und Kommunikationstechnologien wie Smartphones. Er gilt weithin als der bedeutendste Transistor, die möglicherweise wichtigste Erfindung in der Elektronik und das grundlegende Gerät für moderne elektronische Systeme. Seit dem späten 20. Jahrhundert bildet es den Grundstein der modernen digitalen Elektronik und läutet damit das digitale Zeitalter ein. Das Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten bezeichnete es als „bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur weltweit veränderte“. Die Kapazität für die Massenproduktion durch einen hochautomatisierten Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen unter Verwendung relativ grundlegender Materialien führt zu bemerkenswert niedrigen Herstellungskosten pro Transistor. Bis 2018 wurden über 13 Sextillionen MOSFETs hergestellt, was sie zu den am häufigsten produzierten künstlichen Objekten der Geschichte macht.

Während zahlreiche Unternehmen jährlich über eine Milliarde einzeln verpackter oder diskreter MOS-Transistoren herstellen, ist die überwältigende Mehrheit in Schaltkreise integriert (auch als ICs, Mikrochips oder Chips bezeichnet). Diese integrierten Schaltkreise kombinieren Transistoren mit anderen elektronischen Komponenten wie Dioden, Widerständen und Kondensatoren zu vollständigen Funktionsschaltkreisen. Ein typisches Logikgatter enthält etwa 20 Transistoren. Im Gegensatz dazu kann ein fortschrittlicher Mikroprozessor ab 2023 über bis zu 92 Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip verfügen, oder 184 Milliarden in einer Dual-Chip-Konfiguration; Bestimmte außergewöhnliche Chips haben im Jahr 2020 sogar 2,6 Billionen Transistoren erreicht. In Mikroprozessoren werden Transistoren häufig in Logikgattern angeordnet, um Rechenoperationen zu erleichtern.

Die weit verbreitete Verbreitung des Transistors ist auf seine inhärenten niedrigen Kosten, betriebliche Flexibilität und robuste Zuverlässigkeit zurückzuführen. Transistorbasierte mechatronische Schaltkreise haben elektromechanische Gegenstücke in den Steuerungssystemen verschiedener Geräte und Industriemaschinen abgelöst. Die Implementierung von Steuerfunktionen über einen Standard-Mikrocontroller und kundenspezifische Software ist häufig einfacher und wirtschaftlicher als die Entwicklung eines analogen mechanischen Systems.

Grundlegende Betriebsprinzipien

Ein Transistor nutzt ein kleineres Signal, das an einem Paar seiner Anschlüsse anliegt, um ein deutlich größeres Signal zu regulieren, das an einem anderen Anschlusspaar anliegt, eine Eigenschaft, die als Verstärkung bezeichnet wird. Dadurch kann er ein robusteres Ausgangssignal (entweder Spannung oder Strom) erzeugen, das proportional zu einem schwächeren Eingangssignal ist, und so als Verstärker fungieren. Darüber hinaus kann es als elektrisch betätigter Schalter dienen, wobei die Größe des Stromflusses durch andere Komponenten innerhalb des Stromkreises bestimmt wird.

Transistoren werden grob in zwei Haupttypen eingeteilt, die sich durch subtile Variationen in ihren Betriebsmethoden unterscheiden:

• Ein Bipolar-Junction-Transistor (BJT) zeichnet sich durch drei Anschlüsse aus: die Basis, den Kollektor und den Emitter. Ein bescheidener Strom, der am Basisanschluss eingespeist wird und zwischen Basis und Emitter fließt, besitzt die Fähigkeit, einen wesentlich größeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter zu regulieren oder zu schalten.

• Umgekehrt verfügt ein Feldeffekttransistor (FET) über Anschlüsse, die als Gate, Source und Drain bezeichnet werden. In dieser Konfiguration moduliert eine an den Gate-Anschluss angelegte Spannung den Stromfluss zwischen Source und Drain.

Die beigefügte Abbildung oben in diesem Abschnitt zeigt einen repräsentativen Bipolartransistor, der in einen Schaltkreis integriert ist. Ladungsträger wandern zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen, wobei dieser Fluss vom in der Basis vorhandenen Strom abhängt. Da die Verbindungen zwischen Basis und Emitter analoge Eigenschaften wie eine Halbleiterdiode aufweisen, entsteht an diesen Anschlüssen eine Spannungspotentialdifferenz. Die Größe dieses Spannungsabfalls, der eng mit dem Material, aus dem der Transistor besteht, zusammenhängt, wird als V_BE (Basis-Emitter-Spannung)

Transistorfunktionalität als Schaltelement

In digitalen Schaltkreisen werden Transistoren häufig als elektronische Schalter eingesetzt, die entweder im Ein-- oder Aus--Zustand arbeiten können. Diese Anwendung erstreckt sich sowohl auf Hochleistungskontexte, wie etwa Schaltnetzteile, als auch auf Niedrigleistungsszenarien, einschließlich Logikgattern. Zu den kritischen Parametern, die für diese Schaltfunktion relevant sind, gehören die Größe des geschalteten Stroms, die Spannung, der er standhalten kann, und seine Schaltgeschwindigkeit, die typischerweise durch seine Anstiegs- und Abfallzeiten quantifiziert wird.

In einem Schaltkreis besteht das Hauptziel darin, die Eigenschaften eines idealen Schalters so genau wie möglich nachzubilden: einen offenen Stromkreis im Aus-Zustand, einen Kurzschluss im Ein-Zustand und einen sofortigen Übergang zwischen diesen beiden Bedingungen. Die Schaltungsparameter werden sorgfältig ausgewählt, um sicherzustellen, dass der Ausgang im Aus--Zustand auf Leckströme beschränkt wird, deren Stärke nicht ausreicht, um angeschlossene Komponenten zu beeinträchtigen. Der Widerstand des Transistors im Ein--Zustand ist vernachlässigbar genug, um den Schaltungsbetrieb nicht zu behindern, und die Übergangszeit zwischen den beiden Zuständen ist schnell genug, um nachteilige Auswirkungen auszuschließen.

Innerhalb einer Transistorkonfiguration mit geerdetem Emitter, am Beispiel der abgebildeten Lichtschalterschaltung, führt ein Anstieg der Basisspannung zu einem exponentiellen Anstieg sowohl des Emitter- als auch des Kollektorstroms. Folglich sinkt die Kollektorspannung aufgrund einer Verringerung des Widerstands zwischen Kollektor und Emitter. Sollte die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter gegen Null gehen, wird die Größe des Kollektorstroms ausschließlich durch den Lastwiderstand (z. B. eine Glühbirne) und die verfügbare Versorgungsspannung begrenzt. Dieser Betriebszustand wird als Sättigung bezeichnet und weist auf einen ungehinderten Stromfluss vom Kollektor zum Emitter hin. In diesem gesättigten Zustand wird davon ausgegangen, dass sich der Schalter im Ein--Zustand befindet.

Für Schaltanwendungen mit Bipolartransistoren ist eine präzise Vorspannung unerlässlich, um den Betrieb zwischen dem Sperrbereich (der den Aus-Zustand darstellt) und dem Sättigungsbereich (dem Ein--Zustand) sicherzustellen. Um dies zu erreichen, ist ein ausreichender Grundantriebsstrom erforderlich. Aufgrund der inhärenten Stromverstärkung des Transistors ermöglicht er die Steuerung eines erheblichen Kollektorstroms durch Anlegen eines deutlich kleineren Stroms am Basisanschluss. Das spezifische Verhältnis zwischen diesen Strömen hängt vom Transistortyp ab und schwankt selbst innerhalb eines einzelnen Typs mit dem Kollektorstrom. In der dargestellten Lichtschalterschaltung ist der Widerstand so ausgewählt, dass er ausreichend Basisstrom liefert und so die Sättigung des Transistors gewährleistet. Der Wert dieses Basiswiderstands wird unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung, des Spannungsabfalls am Kollektor-Emitter-Übergang des Transistors, des gewünschten Kollektorstroms und des Stromverstärkungsfaktors (Beta) des Transistors bestimmt.

Transistorverstärkung

Eine Verstärkerkonfiguration mit gemeinsamem Emitter ist so konstruiert, dass eine geringfügige Änderung der Eingangsspannung (V_in) den kleinen Strom moduliert, der durch die Basis des Transistors fließt. Diese durch den Transistor verstärkte und durch die Eigenschaften der Schaltung beeinflusste Basisstromschwankung führt zu erheblichen Schwankungen der Ausgangsspannung (V_out) als Reaktion auf geringfügige Schwankungen der Eingangsspannung (V_in).

Es gibt mehrere Konfigurationen für Einzeltransistorverstärker, die jeweils entweder Stromverstärkung, Spannungsverstärkung oder eine Kombination aus beidem bieten können.

Verstärker sind integrale Komponenten in einem breite Palette von Produkten, die von Mobiltelefonen bis zu Fernsehgeräten reichen und für Zwecke wie Audiowiedergabe, Radioübertragung und allgemeine Signalverarbeitung dienen. Anfangs boten Audioverstärker mit diskreten Transistoren nur eine bescheidene Ausgangsleistung, typischerweise einige hundert Milliwatt; Mit Fortschritten in der Transistortechnologie und der Weiterentwicklung der Verstärkerdesigns verbesserten sich jedoch sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Klangtreue zunehmend.

Moderne Transistor-basierte Audioverstärker, die mehrere hundert Watt liefern können, sind mittlerweile weit verbreitet und vergleichsweise wirtschaftlich.

Vergleich mit Vakuumröhren

Vor dem Aufkommen von Transistoren dienten Vakuum(elektronen)röhren – im Vereinigten Königreich als thermionische Ventile oder einfach Ventile bekannt – als primäre aktive Komponenten in elektronischen Geräten.

Vorteile

Zu den Hauptvorteilen, die den weit verbreiteten Ersatz von Vakuumröhren durch Transistoren in zahlreichen Anwendungen ermöglichten, gehören:

• Das Fehlen einer Kathodenheizung (die die charakteristische orangefarbene Lumineszenz in Röhren erzeugt), führt zu einem geringeren Stromverbrauch, der Eliminierung von Aufwärmverzögerungen und einer Immunität gegen Kathodenvergiftung und -erschöpfung.
• Deutlich kleinere Abmessungen und geringere Masse tragen zu kompakteren Gerätedesigns bei.
• Die Fähigkeit, große Mengen außergewöhnlich kleiner Transistoren in einem einzigen integrierten Schaltkreis herzustellen.
• Geringe Betriebsspannungsanforderungen ermöglichen Kompatibilität mit Mehrzellen-Batteriestromquellen.
• Im Allgemeinen weisen mit Transistoren entworfene Schaltkreise eine überlegene Energieeffizienz auf. Insbesondere bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. der Spannungsverstärkung, kann der Energieverbrauch im Vergleich zu Vakuumröhren-Pendants wesentlich geringer sein.
• Verfügbarkeit komplementärer Geräte, die eine größere Designflexibilität bieten, einschließlich der Implementierung komplementärer Symmetrieschaltungen – eine Konfiguration, die mit Vakuumröhren nicht möglich ist.
• Deutlich verringerte Anfälligkeit gegenüber mechanischen Stößen und Vibrationen, was zu einer größeren physischen Robustheit beiträgt und stoßbedingte Störsignale (z. B. Mikrofonik in Audiosystemen) wirksam abschwächt.
• Immunität gegenüber Problemen wie Bruch der Glashülle, interner Leckage, Ausgasung und anderen Formen physischer Beeinträchtigung.

Einschränkungen

Transistoren unterliegen den folgenden Einschränkungen:

• Transistoren verfügen nicht über die überlegene Elektronenmobilität, die der Vakuumumgebung von Vakuumröhren innewohnt, eine Eigenschaft, die für Hochleistungs- und Hochfrequenzoperationen äußerst vorteilhaft ist – beispielsweise in bestimmten drahtlosen Fernsehsendern und in Wanderfeldröhrenverstärkern, die in Satellitensystemen eingesetzt werden.
• Transistoren und andere Festkörperkomponenten sind anfällig für Schäden durch vorübergehende elektrische und thermische Vorkommnisse, insbesondere elektrostatische Entladungen während der Handhabung. Im Gegensatz dazu weisen Vakuumröhren eine deutlich höhere elektrische Robustheit auf.
• Transistoren sind empfindlich gegenüber Strahlung und kosmischer Strahlung; Daher werden in der Instrumentierung von Raumfahrzeugen spezielle strahlungsgehärtete Chips eingesetzt.
• Bei Audioanwendungen erzeugen Transistoren nicht von Natur aus die Verzerrung der unteren Harmonischen, die oft als „Röhrenklang“ bezeichnet wird und für Vakuumröhren charakteristisch ist und von bestimmten Audiophilen bevorzugt wird.

Typologien

Kategorisierung

Transistoren werden nach mehreren Parametern klassifiziert, darunter:

• Strukturelle Konfiguration: wie MOSFET (IGFET), BJT, JFET, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und andere Variationen.
• Halbleitermaterial und Dotierstoffe:
  • Metalloide wie Germanium (erstmals 1947 eingesetzt) und Silizium (erstmals 1954 eingesetzt), erhältlich in amorpher, polykristalliner und monokristalliner Form.
  • Verbundhalbleiter, einschließlich Galliumarsenid (eingeführt 1966) und Siliziumkarbid (eingeführt 1997).
  • Die Silizium-Germanium-Legierung (entwickelt 1989).
  • Unter anderem das kohlenstoffallotrope Graphen (seit 2004 erforscht).
• Elektrische Polarität (positiv oder negativ): am Beispiel von NPN- und PNP-Konfigurationen für BJTs und N-Kanal- und P-Kanal-Typen für FETs.
• Maximale Nennleistung: kategorisiert als niedrig, mittel oder hoch.
• Maximale Betriebsfrequenz: umfasst niedrige, mittlere, hohe, Hochfrequenz- (RF) und Mikrowellenfrequenzbereiche. Der Begriff f_T, der die Übergangsfrequenz darstellt, bezeichnet die maximale effektive Frequenz eines Transistors in einer Schaltung mit gemeinsamem Emitter oder gemeinsamer Source, insbesondere dort, wo der Transistor eine Spannungsverstärkung von eins erreicht.
• Beabsichtigte Anwendung: z. B. Schalter-, Allzweck-, Audio-, Hochspannungs-, Super-Beta- oder Matched-Pair-Konfigurationen.
• Physische Verpackung: einschließlich durchkontaktierter Metall-, durchkontaktierter Kunststoff-, Oberflächenmontage-, Ball-Grid-Array- und Leistungsmodule.
• Verstärkungsfaktor: quantifiziert durch h_FE, β_F (Transistor-Beta) oder g_m (Transkonduktanz).
• Betriebstemperaturbereich: umfasst herkömmliche Temperaturtransistoren (von –55 bis 150 °C (–67 bis 302 °F)) und Transistoren für extreme Temperaturen. Die letztere Kategorie umfasst Hochtemperaturtransistoren (über 150 °C (302 °F)) und Niedertemperaturtransistoren (unter –55 °C (–67 °F)). Hochtemperaturtransistoren, die einen thermisch stabilen Betrieb bis zu 250 °C (482 °F) ermöglichen, können durch einen allgemeinen Ansatz entwickelt werden, der die Mischung interpenetrierender teilkristalliner konjugierter Polymere mit isolierenden Polymeren mit hoher Glasübergangstemperatur beinhaltet.

Folglich könnte ein bestimmter Transistor beispielsweise als Surface-Mount-Silizium-, BJT-, NPN-, Low-Power-Hochfrequenzschalter charakterisiert werden.

Mnemonische Geräte

Eine praktische Gedächtnisstütze zum Erinnern an den Transistortyp, der durch sein elektrisches Symbol dargestellt wird, basiert auf der Richtung des Pfeils. Im Fall eines BJT wird der Pfeil auf einem n–p–n-Transistorsymbol als „Not PPunkt iN“ gespeichert. Umgekehrt zeigt der Pfeil für ein p-n-p-Transistorsymbol "Ppunkte iN Prund". Es ist wichtig zu beachten, dass diese Mnemonik nicht auf MOSFET-basierte Transistorsymbole anwendbar ist, bei denen die Richtung des Pfeils herkömmlicherweise umgekehrt ist (z. B. zeigt der Pfeil für einen n-p-n-MOSFET nach innen).

Feldeffekttransistor (FET)

Der Feldeffekttransistor, auch Unipolartransistor genannt, ermöglicht die Leitung entweder durch Elektronen (in n-Kanal-FETs) oder Löcher (in p-Kanal-FETs). Ein FET verfügt typischerweise über vier Anschlüsse: Source, Gate, Drain und Body (Substrat). Bei den meisten FETs ist der Körper intern mit der Source innerhalb des Gerätegehäuses verbunden, eine Konfiguration, die für spätere Diskussionen angenommen wird.

Innerhalb eines FET fließt Strom vom Drain zur Source durch einen leitenden Kanal, der die Source- und Drain-Regionen verbindet. Die Leitfähigkeit des Kanals wird durch ein elektrisches Feld moduliert, das durch Anlegen einer Spannung zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen erzeugt wird, wodurch der Drain-Source-Strom reguliert wird. Eine Erhöhung der Gate-Source-Spannung (V_GS) führt zu einem exponentiellen Anstieg des Drain-Source-Stroms (I_DS), wenn V_GS unter dem Schwellenwert liegt. Oberhalb dieser Schwelle steigt der Strom in der raumladungsbegrenzten Region ungefähr quadratisch an, ausgedrückt als: (I_DS ∝ (V_GS − V_T)§2930§, wobei V_T die Schwellenspannung bezeichnet Ab diesem Zeitpunkt wird dieses quadratische Verhalten jedoch bei modernen Geräten, wie z. B. denen des 65-nm-Technologieknotens, nicht beobachtet.

Der erhöhte Eingangswiderstand von FETs bietet einen deutlichen Vorteil für die Erzielung einer rauscharmen Leistung bei Anwendungen mit schmaler Bandbreite.

Feldeffekttransistoren (FETs) werden in zwei Hauptfamilien eingeteilt: Junction-FET (JFET) und Insulated-Gate-FET (IGFET). Der IGFET wird allgemein als Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET) bezeichnet, eine Bezeichnung, die sich von seiner grundlegenden Schichtstruktur aus Metall (für das Gate), Oxid (für die Isolierung) und Halbleitermaterialien ableitet. Im Gegensatz zu IGFETs stellt das Gate des JFET einen pn-Diodenübergang mit dem Kanal her, der zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen liegt. Aus funktionaler Sicht dient ein n-Kanal-JFET als Festkörper-Gegenstück zur Vakuumröhrentriode, wobei beide Geräte eine Diode zwischen ihren jeweiligen Steuerelementen (Gitter/Gate) und stromführenden Anschlüssen (Kathode/Quelle) bilden. Darüber hinaus arbeiten beide Gerätetypen im Verarmungsmodus, verfügen über eine hohe Eingangsimpedanz und regulieren den Stromfluss als Reaktion auf eine angelegte Eingangsspannung.

Metall-Halbleiter-FETs (MESFETs) stellen eine Klasse von JFETs dar, bei denen der herkömmliche in Sperrichtung vorgespannte pn-Übergang durch einen Metall-Halbleiter-Übergang ersetzt wird. Sowohl MESFETs als auch High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs, auch bekannt als HFETs), die ein zweidimensionales Elektronengas nutzen, das sich durch eine außergewöhnliche Trägermobilität für den Ladungstransport auszeichnet, eignen sich besonders gut für Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen, typischerweise im Gigahertz-Bereich.

FETs werden weiter in Verarmungsmodus- und Anreicherungsmodus-Konfigurationen eingeteilt, wobei die Unterscheidung darauf basiert, ob der leitende Kanal aktiv ist oder inaktiv, wenn die Gate-Source-Spannung Null ist. Bei Geräten im Anreicherungsmodus bleibt der Kanal bei einer Vorspannung von Null nichtleitend, sodass ein angelegtes Gate-Potenzial erforderlich ist, um seine Leitfähigkeit zu verbessern. Umgekehrt verfügen Geräte im Verarmungsmodus über einen aktiven Kanal mit einer Vorspannung von Null, wobei ein Gate-Potential mit entgegengesetzter Polarität den Kanal verarmen und dadurch seine Leitfähigkeit verringern kann. Unabhängig vom Modus führt eine Erhöhung der positiven Gate-Spannung zu einem höheren Strom für n-Kanal-Geräte und zu einem niedrigeren Strom für p-Kanal-Geräte. Die überwiegende Mehrheit der JFETs arbeitet im Verarmungsmodus, da der Betrieb im Anreicherungsmodus dazu führen würde, dass ihre Diodenübergänge in Durchlassrichtung vorgespannt und leitend wären. Im Gegensatz dazu sind die meisten IGFETs vom Anreicherungstyp.

Metall–Oxid–Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), auch Metall-Oxid-Silizium-Transistor (MOS-Transistor) genannt, stellt eine Klasse von Feldeffekttransistoren dar, die durch präzise Oxidation eines Halbleitermaterials, am häufigsten Silizium, hergestellt werden. Es zeichnet sich durch ein isoliertes Gate aus und seine Spannung moduliert direkt die Leitfähigkeit des Geräts. Diese spannungsgesteuerte Leitfähigkeit ermöglicht den Einsatz beim Verstärken oder Schalten elektronischer Signale. Der MOSFET ist der vorherrschende Transistortyp und dient als grundlegende Komponente in den meisten modernen elektronischen Systemen. Weltweit machen MOSFETs überwältigende 99,9 % aller hergestellten Transistoren aus.

Bipolar Junction Transistor (BJT)

Bipolartransistoren leiten ihre Nomenklatur von ihrem Funktionsprinzip ab, das die Leitung sowohl über Mehrheits- als auch über Minderheitsladungsträger beinhaltet. Der Bipolartransistor (BJT), historisch gesehen der erste Transistortyp, der in Massenproduktion hergestellt wurde, besteht im Wesentlichen aus zwei Sperrschichtdioden. Seine Struktur besteht entweder aus einer dünnen Halbleiterschicht vom p-Typ, die zwischen zwei Halbleitern vom n-Typ angeordnet ist (und einen n-p-n-Transistor bildet), oder aus einer dünnen Halbleiterschicht vom n-Typ, die zwischen zwei Halbleitern vom p-Typ liegt (und einen p-n-p-Transistor bildet). Diese Konfiguration stellt zwei unterschiedliche pn-Übergänge her: einen Basis-Emitter-Übergang und einen Basis-Kollektor-Übergang, die durch einen schmalen Halbleiterbereich, der als Basis bezeichnet wird, abgegrenzt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die einfache Verbindung zweier Sperrschichtdioden ohne einen gemeinsamen dazwischen liegenden Halbleiterbereich keinen funktionsfähigen Transistor darstellt.

Bipolar Junction Transistoren (BJTs) zeichnen sich durch drei Anschlüsse aus, die jeweils einer bestimmten Halbleiterschicht entsprechen: einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor. Ihr Nutzen in Verstärkerschaltungen beruht auf der Fähigkeit, Emitter- und Kollektorströme durch die Anwendung eines vergleichsweise bescheidenen Basisstroms zu regulieren. Während des Betriebs im aktiven Bereich weist ein n-p-n-Transistor einen in Durchlassrichtung vorgespannten Emitter-Basis-Übergang auf, der die Elektronen-Loch-Rekombination erleichtert, während der Basis-Kollektor-Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, was zur Erzeugung und Trennung von Elektron-Loch-Paaren führt. Diese Konfiguration führt zur Injektion von Elektronen in den Basisbereich. Aufgrund der geringen Breite der Basis diffundiert der Großteil dieser injizierten Elektronen in Richtung des in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Übergangs und wird anschließend in den Kollektor geschwemmt. Ein geringer Anteil, etwa ein Prozent, rekombiniert innerhalb der Basis und bildet den Hauptbestandteil des Basisstroms. Die leichte Dotierung der Basis im Vergleich zu den Emitter- und Kollektorbereichen minimiert die Rekombinationsraten und ermöglicht so, dass eine größere Anzahl von Ladungsträgern den Basisbereich durchquert. Die Regulierung des Elektronenflusses von der Basis bestimmt direkt die Menge der Elektronen, die in den Kollektor gelangen. Der Kollektorstrom ist ungefähr proportional zum Basisstrom, wobei die Proportionalitätskonstante β ist, die die Stromverstärkung im gemeinsamen Emitter darstellt. Diese Verstärkung liegt bei Kleinsignaltransistoren typischerweise über 100, kann jedoch bei Geräten, die für Hochleistungsanwendungen entwickelt wurden, reduziert werden.

Im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren zeichnet sich der BJT als Gerät mit niedriger Eingangsimpedanz aus. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Basis-Emitter-Spannung (V_BE) zu einem exponentiellen Anstieg sowohl des Basis-Emitter-Stroms als auch des Kollektor-Emitter-Stroms (I_CE), was mit den Shockley-Dioden- und Ebers-Moll-Modellen übereinstimmt. Diese exponentielle Abhängigkeit verleiht dem BJT eine überlegene Transkonduktanz im Vergleich zum FET.

Bipolartransistoren können durch Lichteinwirkung zum Leiten gebracht werden, da die Photonenabsorption im Basisbereich einen Photostrom erzeugt, der effektiv als Basisstrom fungiert; der resultierende Kollektorstrom beträgt etwa das β-fache dieses Photostroms. Geräte, die speziell für diese Funktionalität entwickelt wurden, verfügen über ein transparentes Fenster in ihrer Verpackung und werden als Fototransistoren bezeichnet.

Anwendungen von MOSFETs und BJTs

Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) stellt weltweit den vorherrschenden Transistortyp dar, der 99,9 % aller Transistoren ausmacht, und wird sowohl in digitalen als auch analogen Schaltungsdesigns umfassend eingesetzt. Historisch gesehen war der Bipolartransistor (BJT) von den 1950er bis 1960er Jahren der am weitesten verbreitete Transistor. Trotz der weit verbreiteten Verfügbarkeit von MOSFETs in den 1970er Jahren wurden BJTs aufgrund ihrer überlegenen Linearität weiterhin für zahlreiche analoge Schaltkreise, einschließlich Verstärker, bevorzugt. Diese Präferenz blieb bestehen, bis MOSFET-Varianten wie Leistungs-MOSFETs, LDMOS und RF-CMOS in den 1980er Jahren BJTs in den meisten leistungselektronischen Anwendungen weitgehend verdrängten. Innerhalb der integrierten Schaltkreise konnten sich MOSFETs aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften bis in die 1970er Jahre nahezu den gesamten Marktanteil bei digitalen Schaltkreisen sichern. Diskrete MOSFETs, insbesondere Leistungs-MOSFETs, finden Anwendung in verschiedenen Transistorsystemen, darunter analoge Schaltkreise, Spannungsregler, Verstärker, Leistungstransmitter und Motortreiber.

Alternative Transistorarchitekturen

• Feldeffekttransistor (FET):
  • Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), gekennzeichnet durch ein Gate, das durch eine dünne dielektrische Schicht isoliert ist.
    • p-Typ-MOS (PMOS)
    • n-Typ-MOS (NMOS)
    • Komplementärer MOS (CMOS)
      • HF-CMOS, verwendet für Hochfrequenzverstärkung und Signalempfang.
    • Multi-Gate-Feldeffekttransistor (MuGFET)
      • Fin-Feldeffekttransistor (FinFET), gekennzeichnet durch Source/Drain-Bereiche, die als Finnen auf dem Siliziumsubstrat konfiguriert sind.
      • Gate-All-Around-FET (GAAFET), der dem FinFET ähnelt, jedoch vertikal gestapelte Nanodrähte anstelle von Rippen verwendet, wobei das Gate diese Nanodrähte auf allen vier Seiten umgibt.
      • Multi-Bridge-Channel FET (MBCFET), eine von Samsung entwickelte GAAFET-Variante, die horizontale Nanoblätter anstelle von Nanodrähten verwendet. Diese Technologie wird von Intel auch als RibbonFET und als horizontaler Nanosheet-Transistor bezeichnet.
    • Dünnschichttransistor (TFT), häufig in LCD- und OLED-Anzeigetechnologien eingesetzt, mit Varianten wie amorphem Silizium, LTPS-, LTPO- und IGZO-Transistoren.
    • Floating-Gate-MOSFET (FGMOS), entwickelt für nichtflüchtige Datenspeicheranwendungen.
    • Leistungs-MOSFET, optimiert für Anwendungen in der Leistungselektronik.
      • Lateral diffuser MOS (LDMOS)
  • Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Feldeffekttransistor (CNFET oder CNTFET), gekennzeichnet durch den Ersatz von herkömmlichem Kanalmaterial durch ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
  • Ferroelektrischer Feldeffekttransistor (Fe-FET), dessen Konstruktion ferroelektrische Materialien enthält.
  • Der Junction-Gate-Feldeffekttransistor (JFET) verfügt über ein Gate, das durch einen in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergang isoliert ist.
  • Der Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) funktioniert ähnlich wie ein JFET, verfügt jedoch über einen Schottky-Übergang anstelle eines pn-Übergangs.
    • Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) umfassen Geräte aus Materialien wie Galliumnitrid (GaN), Siliziumkarbid (SiC), Galliumoxid (Ga₂O§45§) und Galliumarsenid (GaAs) sowie MOSFETs.
  • Feldeffekttransistor mit negativer Kapazität (NC-FET).
  • Inverted-T-Feldeffekttransistor (ITFET).
  • Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor (FREDFET).
  • Der organische Feldeffekttransistor (OFET) nutzt eine organische Verbindung als Halbleitermaterial.
  • Ballistischer Transistor.
  • Feldeffekttransistoren werden auch für Umweltsensoranwendungen eingesetzt.
    • Ein ionenempfindlicher Feldeffekttransistor (ISFET) ist beispielsweise darauf ausgelegt, Ionenkonzentrationen in einer Lösung zu quantifizieren.
    • Elektrolyt-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (EOSFET), der häufig in Neurochips verwendet wird.
    • Desoxyribonukleinsäure-Feldeffekttransistor (DNAFET).
    • Feldeffekttransistor-basierter Biosensor (Bio-FET).
• Zu den Bipolar Junction Transistor (BJT)-Typen gehören:
  • Der Heterojunction Bipolar Transistor, der bei Frequenzen von bis zu mehreren hundert Gigahertz arbeiten kann, ist häufig in modernen Ultraschnell- und Hochfrequenzschaltungen zu finden.
  • Schottky-Transistor.
  • Lawinentransistor.
  • Darlington-Transistoren bestehen aus zwei Bipolar Junction Transistoren (BJTs), die miteinander verbunden sind, um eine erhebliche Stromverstärkung zu erreichen, die dem Produkt der einzelnen Stromverstärkungen der beiden Transistoren entspricht.
  • Insulated-Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) integrieren einen Insulated-Gate-Feldeffekttransistor (IGFET) mittlerer Leistung mit einem leistungsstarken Bipolar Junction Transistor (BJT), um eine hohe Eingangsimpedanz zu erreichen. Abhängig von der konkreten Anwendung werden Leistungsdioden häufig zwischen dafür vorgesehenen Anschlüssen angeschlossen. IGBTs eignen sich besonders gut für anspruchsvolle industrielle Anwendungen. Beispielsweise enthält der für dreiphasige Stromversorgungen konzipierte ASEA Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 drei NPN-IGBTs in einem 38 x 140 x 190 mm großen Paket mit einem Gewicht von 1,5 kg. Jeder einzelne IGBT in dieser Einheit ist für 1.700 Volt ausgelegt und kann 2.400 Ampere bewältigen.
  • Fototransistor.
  • Der Emitter-Switched Bipolar Transistor (ESBT) stellt eine monolithische Integration eines Hochspannungs-Bipolartransistors und eines Niederspannungs-Leistungs-MOSFET dar, die in einer Kaskodentopologie konfiguriert sind. Diese Technologie wurde ursprünglich in den 2000er Jahren von STMicroelectronics eingeführt, aber etwa 2012 eingestellt.
  • Multiple-Emitter-Transistoren werden in Transistor-Transistor-Logikschaltungen und integrierten Stromspiegeln verwendet.
  • Multiple-Base-Transistoren werden zur Verstärkung von Signalen mit extrem niedrigem Pegel in lauten Umgebungen eingesetzt, wie sie beispielsweise in Plattenspieler-Tonabnehmern oder Radio-Front-End-Stufen vorkommen. Diese Konfiguration funktioniert effektiv wie eine große Anordnung paralleler Transistoren, bei der sich die Signalkomponenten am Ausgang konstruktiv kombinieren, während sich zufällige Rauschkomponenten stochastisch summieren.
• Der Tunnel-Feldeffekttransistor schaltet, indem er den Quantentunnel durch eine Potentialbarriere moduliert.
• Ein Diffusionstransistor wird durch Diffusion von Dotierstoffen in ein Halbleitersubstrat hergestellt und kann entweder als Bipolar Junction Transistor (BJT) oder als Feldeffekttransistor (FET) auftreten.
• Der Unijunction-Transistor dient als einfacher Impulsgenerator. Es besteht aus einem Primärkörper aus p-Typ- oder n-Typ-Halbleitermaterial mit ohmschen Kontakten an beiden Enden, die als Anschlüsse Base1 und Base2 bezeichnet werden. Ein Übergang des entgegengesetzten Halbleitertyps wird an einem Zwischenpunkt entlang der Länge des Körpers hergestellt und bildet den dritten Anschluss, Emitter.
• Einzelelektronentransistoren (SETs) bestehen aus einer Gate-Insel, die zwischen zwei Tunnelübergängen positioniert ist. Der Tunnelstrom wird durch eine Spannung reguliert, die über einen Kondensator an das Gate angelegt wird.
• Ein nanofluidischer Transistor steuert die Bewegung von Ionen durch submikroskopische, wassergefüllte Kanäle.
• Zu den Multigate-Geräten gehören:
  • Tetrode-Transistoren.
  • Pentode-Transistor.
  • Trigate-Transistor (ein von Intel entwickelter Prototyp).
  • Dual-Gate-Feldeffekttransistoren verfügen über einen einzelnen Kanal mit zwei Gates, die in einer Kaskodenkonfiguration angeordnet sind, was für Anwendungen wie Hochfrequenzverstärker, Mischer und Oszillatoren optimiert ist.
• Der Junctionless Nanowire Transistor (JNT) verwendet einen einfachen Silizium-Nanodraht, der von einem elektrisch isolierten Ehering umgeben ist, der als Tor zur Steuerung des Elektronenflusses durch den Draht fungiert.
• Der nanoskalige Vakuumkanaltransistor, dessen Prototyp Berichten zufolge 2012 von der NASA und dem National Nanofab Center in Südkorea entwickelt wurde, misst nur 150 Nanometer. Dieses Gerät kann mit herkömmlicher Silizium-Halbleiterverarbeitung kostengünstig hergestellt werden, ist selbst in anspruchsvollen Umgebungen für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet und verbraucht potenziell einen mit Standardtransistoren vergleichbaren Stromverbrauch.
• Organische elektrochemische Transistoren.
• Der Solaristor, abgeleitet von „Solarzellentransistor“, fungiert als zweipoliger, Gate-loser und selbstversorgender Fototransistor.
• Germanium-Zinn-Transistoren.
• Holztransistoren.
• Papiertransistoren.
• Kohlenstoffdotierte Silizium-Germanium-Transistoren (Si-Ge:C).
• Diamanttransistoren.
• Aluminiumnitrid-Transistoren.
• Castellated-Feldeffekttransistoren mit Supergitter.

Transistor-Geräteidentifikation.

Transistorgeräte werden normalerweise anhand von drei primären Identifizierungsstandards gekennzeichnet, wobei das alphanumerische Präfix in jedem Schema den Gerätetyp angibt.

Standard des Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC).

Das JEDEC-Teilenummerierungssystem entstand in den 1960er Jahren in den Vereinigten Staaten. Gemäß dem JEDEC-Standard EIA-370 beginnen Transistorgerätenummern typischerweise mit 2N, was eine Komponente mit drei Anschlüssen bedeutet. Dual-Gate-Feldeffekttransistoren, bei denen es sich um Geräte mit vier Anschlüssen handelt, werden mit dem Präfix 3N gekennzeichnet. Auf dieses Präfix folgt eine zwei-, drei- oder vierstellige Zahl, die nicht unbedingt Geräteeigenschaften angibt, obwohl frühere Geräte mit niedrigeren numerischen Bezeichnungen häufig Komponenten auf Germaniumbasis entsprechen. Beispielsweise bezeichnet 2N3055 einen Silizium-n-p-n-Leistungstransistor, während 2N1301 einen p-n-p-Germanium-Schalttransistor bezeichnet. Ein Buchstabensuffix wie „A“ kann gelegentlich auf eine neuere Variante hinweisen, wird jedoch selten für Verstärkungsklassifizierungen verwendet.

Japanese Industrial Standard (JIS) Bezeichnung.

In Japan weist die JIS-Halbleiterbezeichnung (JIS-C-7012) Bezeichnungen für Transistorgeräte zu, die mit 2S beginnen, beispielsweise 2SD965. Allerdings wird das Präfix 2S gelegentlich im physischen Paket weggelassen; Beispielsweise könnte ein 2SD965 nur mit D965 gekennzeichnet sein und ein 2SC1815 könnte von einem Lieferanten einfach als C1815 gelistet sein. Diese Serie enthält manchmal Suffixe wie R, O oder BL (die jeweils für Rot, Orange und Blau stehen), um Varianten anzuzeigen, insbesondere solche mit engeren h_FE (Verstärkungs)-Gruppierungen.

Standard der European Electronic Component Manufacturers Association (EECA).

Die European Electronic Component Manufacturers Association (EECA) verwendet ein Nummerierungssystem, das von Pro Electron nach der Fusion im Jahr 1983 übernommen wurde. Dieses System beginnt mit zwei Buchstaben: Der erste Buchstabe gibt das Halbleitermaterial an (z. B. A für Germanium, B für Silizium, C für Materialien wie Galliumarsenid); Der zweite Buchstabe gibt die beabsichtigte Anwendung an (z. B. A für Dioden, C für Allzwecktransistoren). Es folgt eine dreistellige fortlaufende Nummer bzw. ein Buchstabe gefolgt von zwei Ziffern für Industriekomponenten. Bei frühen Geräten bezeichnete diese Sequenznummer den Gehäusetyp. Es können auch Suffixe verwendet werden, an die ein Buchstabe (z. B. „C“ steht häufig für hohe h_FE, wie bei BC549C) oder andere Codes angehängt werden, um die Verstärkung (z. B. BC327-25) oder die Spannungswerte (z. B. BUK854-800A) anzugeben. Zu den am weitesten verbreiteten Präfixen gehören:

Proprietäre Benennungssysteme.

Gerätehersteller implementieren häufig ihre eigenen proprietären Nummerierungssysteme, beispielhaft dargestellt durch Bezeichnungen wie CK722. Aufgrund der Praxis der Zweitbeschaffung von Komponenten identifiziert das Präfix eines Herstellers (z. B. „MPF“ in MPF102, das früher auf einen Motorola-FET hinwies) den ursprünglichen Hersteller des Geräts nicht mehr zuverlässig. Darüber hinaus integrieren einige proprietäre Namenskonventionen Elemente aus etablierten Schemata; Beispielsweise stellt ein PN2222A einen 2N2222A (möglicherweise von Fairchild Semiconductor) dar, der in einem Kunststoffgehäuse untergebracht ist. Dieses Muster ist jedoch nicht universell, da ein PN108 eine Kunststoffversion eines BC108 bezeichnet, kein 2N108, und der PN100 keine Beziehung zu anderen Geräten der xx100-Serie hat.

Militärkomponenten werden gelegentlich bestimmte Codes zugewiesen, wie zum Beispiel die im British Military CV Naming System.

Hersteller, die größere Mengen ähnlicher Komponenten beschaffen, erhalten diese möglicherweise mit Hausnummern. Diese Nummern kennzeichnen eine bestimmte Kaufspezifikation und nicht ein Gerät mit einer standardisierten, registrierten Bezeichnung. Beispielsweise entspricht ein HP-Teil mit der Bezeichnung 1854.0053 einem JEDEC 2N2218-Transistor, der auch die militärische CV-Nummer CV7763 trägt.

Herausforderungen bei der Gerätebenennung.

Die Verbreitung unabhängiger Benennungsschemata in Verbindung mit der Abkürzung von Teilenummern auf Geräteverpackungen führt häufig zu Unklarheiten. Die Kennzeichnung „J176“ könnte sich beispielsweise auf zwei unterschiedliche Geräte beziehen: einen JFET mit geringer Leistung oder einen MOSFET mit höherer Leistung und der Bezeichnung 2SJ176.

Da Durchstecktransistoren in oberflächenmontierte Gegenstücke umgepackt werden, werden ihnen häufig zahlreiche unterschiedliche Teilenummern zugewiesen. Diese Verbreitung entsteht, weil Hersteller proprietäre Systeme entwickeln, um Variationen in der Pinbelegungskonfiguration und Optionen für integrierte duale oder angepasste n-p-n- und p-n-p-Geräte in einem einzigen Gehäuse zu berücksichtigen. Selbst wenn ein Originalgerät (z. B. ein 2N3904) von einer Behörde standardisiert und von Ingenieuren weithin anerkannt wurde, fehlt seinen neueren Versionen daher häufig eine standardisierte Nomenklatur.

Transistorkonstruktion.

Halbleitermaterialien

Die ersten Bipolartransistoren (BJTs) wurden aus Germanium (Ge) hergestellt. Während Silizium (Si)-Varianten derzeit vorherrschend sind, umfassen fortschrittliche Mikrowellen- und Hochleistungs-Iterationen jetzt den Verbindungshalbleiter Galliumarsenid (GaAs) und die Halbleiterlegierung Silizium-Germanium (SiGe). Halbleitermaterialien, die aus einem einzelnen Element wie Ge und Si bestehen, werden als elementar klassifiziert.

Ungefähre Parameter für die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien bei der Transistorherstellung sind in der beigefügten Tabelle aufgeführt. Diese Parameter unterliegen Schwankungen, die durch Faktoren wie Temperaturerhöhung, elektrische Feldstärke, Verunreinigungskonzentration, mechanische Belastung und verschiedene andere Bedingungen beeinflusst werden.

Die Übergangsdurchlassspannung bezieht sich auf die Potenzialdifferenz, die über den Emitter-Basis-Übergang eines BJT angelegt wird und es der Basis ermöglicht, einen vorgegebenen Strom zu leiten. Dieser Strom weist einen exponentiellen Anstieg auf, wenn die Sperrschicht-Durchlassspannung erhöht wird. Die in der Tabelle angegebenen Werte sind charakteristisch für einen Strom von 1 mA, was auch für Halbleiterdioden gilt. Eine niedrigere Sperrschicht-Durchlassspannung ist vorteilhaft, da sie einen geringeren Stromverbrauch für den Transistorbetrieb bedeutet. Bei einem konstanten Strom nimmt die Durchlassspannung am Übergang mit steigender Temperatur ab. Bei einem typischen Siliziumübergang beträgt diese Änderung etwa –2,1 mV/°C. Folglich erfordern bestimmte Schaltkreise die Integration spezieller Kompensationselemente, sogenannter Sensoren, um diese temperaturbedingten Schwankungen abzuschwächen.

Die Konzentration mobiler Ladungsträger innerhalb eines MOSFET-Kanals wird neben anderen Faktoren wie dem vorhandenen Verunreinigungsgrad durch das elektrische Feld bestimmt, das den Kanal bildet. Bestimmte Verunreinigungen, sogenannte Dotierstoffe, werden während der MOSFET-Herstellung absichtlich eingeführt, um seine elektrischen Eigenschaften präzise zu regulieren.

Die mit Elektronenmobilität und Lochmobilität beschrifteten Spalten veranschaulichen die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen und Löcher durch ein Halbleitermaterial ausbreiten, wenn sie einem elektrischen Feld von 1 Volt pro Meter ausgesetzt werden. Im Allgemeinen korreliert eine überlegene Elektronenmobilität mit schnelleren Transistorbetriebsgeschwindigkeiten. Die bereitgestellten Daten deuten darauf hin, dass Germanium (Ge) in dieser besonderen Eigenschaft Silizium (Si) übertrifft. Dennoch weist Germanium im Vergleich zu Silizium und Galliumarsenid vier wesentliche Nachteile auf:

1. Seine maximale Betriebstemperatur ist begrenzt.
2. Es zeigt einen vergleichsweise erhöhten Leckstrom.
3. Es besitzt eine begrenzte Toleranz gegenüber hohen Spannungen.
4. Es ist weniger förderlich für die Herstellung integrierter Schaltkreise.

Angesichts der Tatsache, dass die Elektronenmobilität in allen Halbleitermaterialien durchgängig die Lochmobilität übersteigt, arbeitet ein n-p-n-Bipolartransistor typischerweise mit einer höheren Geschwindigkeit als sein entsprechendes p-n-p-Gegenstück. Unter den drei diskutierten Halbleitern weist Galliumarsenid (GaAs) die höchste Elektronenmobilität auf, was seine Anwendung in Hochfrequenzschaltungen erklärt. Eine neuere Weiterentwicklung bei Feldeffekttransistoren (FETs) ist der High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT). Dieses Gerät enthält eine Heterostruktur, die durch eine Verbindung zwischen unterschiedlichen Halbleitermaterialien, insbesondere Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) und Galliumarsenid (GaAs), gebildet wird. Diese Konfiguration ergibt eine doppelt so hohe Elektronenmobilität wie ein GaAs-Metall-Barriere-Übergang. Aufgrund ihres schnellen Betriebs und ihrer minimalen Rauscheigenschaften werden HEMTs in Satellitenempfängern eingesetzt, die bei etwa 12 GHz arbeiten. Darüber hinaus bieten HEMTs aus Galliumnitrid und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN/GaN-HEMTs) eine noch größere Elektronenmobilität und werden derzeit für verschiedene technologische Anwendungen entwickelt.

Die angegebenen maximalen Sperrschichttemperaturwerte stammen aus einer Zusammenstellung von Daten aus Datenblättern mehrerer Hersteller. Das Überschreiten dieser angegebenen Temperaturgrenze birgt die Gefahr einer irreversiblen Beschädigung des Transistors.

Der Begriff Al-Si-Übergang bezeichnet die Hochgeschwindigkeitsdiode mit Aluminium-Silizium-Metall-Halbleiter-Barriere, allgemein bekannt als Schottky-Diode. Die Aufnahme in die Tabelle ist auf das Vorhandensein einer parasitären Sperr-Schottky-Diode zurückzuführen, die sich während des Herstellungsprozesses zwischen Source und Drain bestimmter Silizium-Leistungs-IGFETs bildet. Obwohl diese Diode gelegentlich problematisch sein kann, wird sie manchmal absichtlich in Schaltungsentwürfen eingesetzt.

Verpackung

Diskrete Transistoren sind entweder als einzeln verpackte Komponenten oder als unverpackte Halbleiterchips erhältlich.

Transistoren werden in verschiedenen Halbleitergehäusen hergestellt. Die beiden Hauptklassifizierungen sind Durchkontaktierung (auch als bedrahtet bezeichnet) und Oberflächenmontage, die auch als Oberflächenmontagegerät (SMD) bezeichnet wird. Die neueste Version oberflächenmontierter Gehäuse ist das Ball Grid Array (BGA), das sich durch Lötkugeln auf der Unterseite anstelle herkömmlicher Anschlüsse auszeichnet. Aufgrund ihrer kompakten Abmessungen und reduzierten Verbindungslängen weisen SMDs eine überlegene Hochfrequenzleistung auf, allerdings mit geringerer Nennleistung.

Transistorpakete werden aus Materialien wie Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff hergestellt. Die Wahl des Gehäuses bestimmt häufig die Nennleistung des Geräts und seine Betriebsfrequenzeigenschaften. Leistungstransistoren beispielsweise sind typischerweise in größeren Gehäusen untergebracht, die für die Befestigung an Kühlkörpern konzipiert sind, was eine verbesserte Wärmeableitung ermöglicht. Darüber hinaus ist bei den meisten Leistungstransistorkonstruktionen der Kollektor- oder Drain-Anschluss physisch in das Metallgehäuse integriert. Umgekehrt stellen einige oberflächenmontierte Mikrowellen-Transistoren das kleinste Extrem dar, deren Abmessungen mit denen eines Sandkorns vergleichbar sind.

Ein bestimmter Transistortyp wird häufig in mehreren Gehäusekonfigurationen angeboten. Während Transistorgehäuse weitgehend standardisiert sind, ist dies bei der funktionalen Zuordnung der Anschlüsse innerhalb dieser Gehäuse nicht der Fall. Unterschiedliche Transistortypen können denselben Gehäuseanschlüssen unterschiedliche Funktionen zuweisen. Darüber hinaus können die Anschlussbelegungen selbst innerhalb desselben Transistortyps variieren, was typischerweise durch einen an die Teilenummer angehängten Suffixbuchstaben gekennzeichnet ist (z. B. BC212L und BC212K).

Moderne Transistoren werden überwiegend in einer Vielzahl von SMT-Gehäusen (Surface Mount Technology) geliefert. Im Gegensatz dazu ist die Auswahl an verfügbaren Through-Hole-Gehäusen vergleichsweise begrenzt. Eine kurze, alphabetisch geordnete Liste der gängigen Durchstecktransistorgehäuse umfasst: ATV, E-line, HRT, MRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO-220, TO-247, TO-251, TO-262 und ZTX851.

Unverpackte Transistorchips oder Chips können in Hybrid integriert werden Geräte. Ein bemerkenswertes historisches Beispiel ist das IBM SLT-Modul aus den 1960er Jahren, das ein Hybridschaltungsmodul mit glaspassivierten Transistor- und Diodenchips darstellte. Weitere Verpackungsmethoden für diskrete Transistorchips umfassen Direct Chip Attach (DCA) und Chip-on-Board (COB).

Flexible Transistoren

Forscher haben verschiedene Arten flexibler Transistoren entwickelt, darunter insbesondere organische Feldeffekttransistoren. Diese flexiblen Transistoren finden Anwendung in bestimmten Kategorien flexibler Displays und anderer flexibler elektronischer Systeme.

Referenzen

Referenzen

Bücher

Bücher

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  • IEEE Global History Network, The Transistor and Portable Electronics Archiviert am 14. Februar 2015 bei der Wayback Machine. Alles über die Geschichte von Transistoren und integrierten Schaltkreisen.
  • Dieser Monat in der Geschichte der Physik: 17. November bis 23. Dezember 1947: Erfindung des ersten Transistors. Von der American Physical Society
  • Der Eintrag „Transistor“ in der Encyclopædia Britannica bietet eine umfassende Definition und untersucht seine verschiedenen Anwendungen.