Der Transistor - Funktion und Anwendung einfach erklärt
Der Transistor - Funktion und Anwendung einfach erklärt
Die Bauteilbezeichnung Transistor setzt sich aus den Teilen „trans“ und „resistor“ zusammen, die Transistor Funktion bedeutet also so viel wie Übertragungswiderstand. Mittlerweile haben diese Komponenten, die derzeit meist aus Silizium hergestellt werden, unsere Welt auf den Kopf gestellt. Diese Bauteile können, egal welcher Typ eingesetzt wird, als Verstärker (analoge Signalverarbeitung) oder als Schalter (digitale Elektronik) fungieren. Natürlich werden sie immer auf die entsprechende Transistor Anwendung zugeschnitten und optimiert.
Julius Edgar Lilienfeld meldete im Jahr 1925 das erste Patent für ein elektronisches Bauelement an, das dem heutigen Feldeffekttransistor am ähnlichsten ist. Technologisch konnte dieser jedoch erst um 1945 realisiert und praktisch getestet werden. Historisch gesehen wurde dieser vor dem Bipolartransistor umgesetzt, hat sich damals jedoch noch nicht durchgesetzt. 1947 gelang in den Bell Laboratories der Aufbau einer Urvariante des Bipolartransistors. Dieser Typ wird neben dem Feldeffektransistor bis heute ständig weiterentwickelt und für spezielle Anwendungen optimiert. Aus der Historie haben sich folgende Transistortypen gebildet, die wie folgt eingeteilt werden können:
Bild 1: Transistortypen
Bipolare Transistoren in ihrer Funktion bilden die optimale Ausgangsbasis für Anwendungen in der Signalverstärkung. Grundsätzlich bestehen diese Bauelemente aus zwei anti-seriellen PN Übergängen, die entweder in Form von NPN- (negativ positiv negativ) oder PNP- (positiv negativ positiv) Schichten angeordnet sind. Die drei Anschlüsse des Halbleiterbauteils werden als Basis (Steuereingang), Kollektor und Emitter bezeichnet. Am Beispiel eines Bipolartransistors bedeutet das konkret, dass diese Komponente folgende Zustände annehmen kann:
- Sperrzustand
Die Transistor Funktion ist ausgeschaltet und sperrt elektrische Signale in seiner Kollektor-Emitter Strecke. Es fließt kein Strom und die Verstärkung ist null.
- Verstärkungsbereich oder aktiver Bereich
Der Transistor arbeitet als linearer Verstärker. Dabei gilt die Formel: IC (Kollektorstrom) gleich IB (Basisstrom) x Stromverstärkung (β) – Es stellt sich der Arbeitspunkt Q (siehe Bild 3) ein.
- Sättigungsbereich (elektronischer Schalter)
Der Kollektorstrom ist nicht länger vom Basisstrom abhängig. Der Transistor arbeitet als Schalter.
Eine universelle, für analoge Verstärker gebräuchliche, Aufbauvariante ist die so genannte Emitterschaltung. In dieser Konfiguration kann der Transistor die Spannung und den Strom verstärken.
Bild 2: Emitterschaltung
Universelle Bauteile (zB. Typ BC 547, BC 107) erreichen einen Verstärkungsfaktor β von etwa 100-800. Ausgehend von einem Faktor von 50 kann man laut Formel also sagen, dass ein Strom durch die Basis von 100µA einem Strom von 5mA durch die Kollektor-Emitter Strecke fließt lässt. Es wäre noch zu erwähnen, dass diese Schaltung invertierend arbeitet. Das bedeutet, dass das Ausgangssignal um 180° phasenverschoben zum Eingangssignal ist.
Es gibt noch zwei weitere Möglichkeiten, Bipolartransistoren zu schalten. Eine davon ist die Basisschaltung, sie verstärkt nur die Spannung und eignet sich für sehr hohe Frequenzen als Leistungsverstärker. Die Kollektorschaltung (auch als Emitterfolger bezeichnet) kann nur den Strom verstärken und wird als Impedanzwandler eingesetzt. Letztendlich definiert die Anwendung, welche Schaltung gewählt werden muss. Eventuell ist es notwendig, mehrere Stufen in Serien zu schalten, um den gewünschten Verstärkungseffekt zu erzielen.
Weitere nützliche Details über den genauen Aufbau, den Elektronenfluss und den Halbleiter zeigt der Link [1] in einem Youtube-Video sowie das Buch Halbleiterschaltungstechnik in Quelle [5].
Werden Transistoren in ihrer Funktion als Schalter eingesetzt, können sie zum Schalten von Gleichspannung verwendet werden. Der Ausgang beschreibt dann lediglich die zwei Zustände EIN (engl. True) oder AUS (engl. False). Heute werden solche Konfigurationen entweder in modernen Rechenkernen (engl. CPU) zu Milliarden verbaut, oder sie dienen zum Schalten von Lasten wie etwa Motoren, Pumpen, Magneten, Lampen oder ähnliches.
Das Ausgangskennlinienfeld eines Bipolartransistors beschreibt die Transistor Funktion beim Schalten:
Bild 3: Ausgangskennlinienfeld während der Transistor-Funktion bzw. Anwednung
Wird an der Basis keine Spannung angelegt, das heißt die Basis hat dasselbe Potential wie der Emitter, dann ist die Strecke zwischen Kollektor und Emitter offen (es fließt kein Strom). Die Transistor-Funktion ist ausgeschaltet. In Bild 3 ist das der Arbeitspunkt B. Um den Transistor voll durchzusteuern, also einzuschalten, wird an der Basis eine Mindestspannung von 0,7V (Diodenspannung) oder mehr angelegt. In Logikschaltungen ist das oft 3,3V in Kombination mit einem Vorwiderstand, um den Strom zu begrenzen. Es wird im Kennlinienfeld der Betriebspunkt A erreicht.
Analog zum Bipolartransistor können beim Feldeffekttransistor dieselben Grundschaltungen aufgebaut werden. Auch das Ausgangskennlinienfeld verhält sich ähnlich. Im Gegensatz zum bipolaren Bauelement hat er einen isolierten Steuereingang der nicht mit Basis sondern mit Gate bezeichnet wird. Die beiden anderen Anschlüsse bezeichnet man mit Drain (analog zu Kollektor) sowie Source (analog zu Emitter). Die Funktion des Transistor wird über eine Spannung am Gate gesteuert, die unter einer hochisolierenden Schicht ein elektrisches Feld erzeugt und damit einen “Kanal” zwischen Drain und Source kontrolliert. Ist das elektrische Feld in seiner Stärke hoch genug, wird das Ventil im Kanal geöffnet und es kann Strom zwischen Drain und Source fließen (siehe Bild 4). Andernfalls, wenn keine Spannung am Gate anliegt, kann auch kein Strom den Kanal passieren. Dieser Transistor eignet sich grundsätzlich als Verstärker, da die Spannung am Gate den Kanal (das Ventil) beeinflusst. Aktuelle Typen sind jedoch für die Anwendung als Schalter optimiert. Dabei wird so viel Spannung am Gate angelegt, dass der Kanal “schlagartig” leitend wird und das Bauteil die resistive Steuerzone sehr schnell druchläuft. Es entstehen während des Schaltens daher nur wenig Verluste, die oft vernachlässigbar sind. Physikalisch können diese Transistoren horizontal (lateral) und vertikal (planar) aufgebaut werden. Je nachdem für welche Anwendung das Bauteil optimiert werden soll, hat der gewählte Aufbau entsprechende Vor- und Nachteile. Neue Typen wie zum Beispiel Gallium-Nitride HEMTs (engl.: high electron mobility transistors) werden oft als laterale Mosfets ausgeführt, während Transistoren für Leistungselektronik in Siliziumtechnik fast ausschließlich vertikal ausgeführt sind. Die folgende Grafik zeigt die Steuerung des Kanals in einem lateralen Feldeffekttransistor:
Für das Schalten von sehr hohen Spannungen hat sich eine Kombination aus Bipolartransistor mit vorgeschaltetem Feldeffekttransistor als ideal erwiesen. Durch eine isolierende Schicht unter dem Gate in Kombination mit dem Bipolartransistor können sehr hohe Spannungen geschalten werden. Dieses Bauteil wird wie im Bild 1 gezeigt als IGBT (engl. insulated gate bipolar transistor) bezeichnet. Verwendung findet diese Technik vor allem im Bereich von Spannungen über 600V. Die hohe Isolationsfähigkeit zieht natürlich auch Nachteile in der Konstruktion mit sich, da PN-Übergänge (Schichten) großflächiger ausgeführt werden müssen. Dadurch entstehen weitere parasitäre Kapazitäten, was die Schaltfrequenz negativ beeinflusst. Es ist möglich, Komponenten mit Sperrspannungen von mehreren Kilovolt (kV) herzustellen. Diese werden etwa in Hochvoltumrichtern für Antriebsstränge in Bahnsystemen benötigt.
Moderne Elektronik nutzt die Verstärkerfunktionen von damals nur noch selten. Heute werden Signale hauptsächlich mittels schaltenden Halbbrücken und nachfolgenden Filtern entsprechend umgeformt (z.B.: DC/DC Konverter). Dabei spielen natürlich mehrere Faktoren eine Rolle. Die Verluste sollen so klein wie möglich gehalten werden, daher scheidet der Bipolartransistor schon oft am Beginn einer Entwicklung aus. Feldeffekttransistoren mit Kanalwiderständen (RDS,ON) von 1 mΩ und weniger sind keine Seltenheit und daher bestens geeignet. Oftmals arbeitet der Chip selbst effizienter als das Gehäuse, das diesen umgibt. Daher muss immer beides (der Chip und das Package) angepasst und entsprechend optimiert sein. Ein anderer wichtiger Faktor ist die Schaltfrequenz. Je schneller ein Transistor ohne nennenswerte Verluste schalten kann, desto kleiner können die Filterelemente am Ein- und Ausgang der Schaltung dimensioniert werden. Kleinere Spulen sowie weniger Kondensatoren wiederum tragen zur Miniaturisierung bei, da sie weniger Bauraum benötigen. In Folge dessen können Netzteile zum Laden von Mobiltelefonen, Tablets und Laptops immer kleiner ausgeführt werden.
Die nächste Generation Transistoren ist schon im Vormarsch und wird eine neue Ära einleiten. Für kleine Spannungen ist davon auszugehen, dass optimierte silizium-basierte Feldeffekttransistoren noch viele Jahre gute Dienste leisten werden. Für mittlere Spannungen zwischen 80V und 650V kommen sogenannte GaN HEMTs [2, 3] zum Einsatz. Für höhere Spannungen wird der IGBT durch den SiC Mosfet [4] abgelöst werden. Der primäre Vorteil dieser Bauteile liegt in den verbesserten elektrischen Eigenschaften. Die Schaltfrequenz kann beim SiC-Mosfet auf bis zu 1MHz und beim GaN HEMT auf bis zu 10MHz erhöht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Gateladung kleiner ist, was in geringeren Schaltverlusten resultiert. Die Ausgangskapazität des Transistors sowie die QRR (engl.: reverse recovery charge) wirkt sich bei Silizium-basierten Schaltzellen stark negativ auf die Effizienz aus. Die verbesserten Typen haben hier geringere Werte (der GaN HEMT kommt gänzlich ohne QRR aus). Man kann also davon ausgehen, dass Leistungselektronik der nächsten Generation kleiner, leichter und effizienter sein wird als je zuvor. Durch die langjährige Erfahrung in der Produktion von Silizium-Komponenten ist jedoch davon auszugehen, dass es noch einige Jahre dauern wird bis die neuen Typen kostengünstig produziert werden können.
Zum Abschluss möchte ich noch erwähnen, dass die lithographische Fertigung immer exakter ausgeführt werden kann. Derzeit ist es möglich, Transistoren mit Strukturgrößen von 5nm herzustellen. Kleinere Strukturen (2nm und weniger) sind bereits in Vorbereitung jedoch wirtschaftlich noch nicht sinnvoll. Essentiell ist, dass es sich dabei immer um die kleinste herstellbare Struktur handelt und nicht wie oft fälschlich angenommen um die Größe eines Transistors.
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Weiterführende Informationen:
[1]: https://www.youtube.com/watch?v=5wIRJN3DN_8
[2]: https://www.infineon.com/cms/de/product/power/gan-hemt-gallium-nitride-transistor/
[4]: https://www.wolfspeed.com/power/products/sic-mosfets
[5]: Ulrich Titze, Schenk Christoph und Gamm Eberhard, Halbleiterschaltungstechnik, 16. Auflage, 2019
