Transistoren

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen ohne mechanische Bewegungen.

Transistoren sind, teilweise als elementare Komponenten integrierter Schaltungen, Bestandteil der Nachrichtentechnik (Funk, Radio), der Automatisierungstechnik und in Computersystemen.

Der Begriff „Transistor“ ist eine Kurzform für eine der englischen Bezeichnungen Transfer Varistor, Transformation Resistor oder Transfer Resistor ^[1], also einen durch Spannung oder Strom steuerbaren elektrischen Widerstand.

Eine Auswahl an diskreten Transistoren in verschiedenen Gehäuseformen

Geschichte

Nachbau des ersten Transistors von Shockley, Bardeen und Brattain von 1947/48 im Nixdorf-Museum

Transistoren aus den 1960er-Jahren mit entferntem TO5-Gehäuse

Die ersten Patente zum Prinzip des Transistors wurden von Julius Edgar Lilienfeld (US-Physiker österreichisch-ungarischer Abstammung) im Jahr 1925 angemeldet ^[2]. Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, das Eigenschaften einer Elektronenröhre aufweist und im weitesten Sinne mit dem heute als Feldeffekttransistor bezeichneten Bauelement vergleichbar ist. Zu seiner Zeit war es allerdings technisch nicht möglich, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren ^[3].

Im Jahr 1934 konstruierte der deutsche Physiker Oskar Heil den ersten Feldeffekttransistor, der mit heute üblichen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) vergleichbar ist^[4]. Die ersten praktisch realisierten JFET mit einem p-n-Übergang (positiv-negativ) und einem so genannten Gate als Steuerelektrode gehen auf Herbert F. Mataré, Heinrich Welker und parallel dazu William B. Shockley und Walter H. Brattain aus dem Jahr 1945 zurück. Der Feldeffekttransistor wurde also vor dem Bipolartransistor realisiert. Damals bezeichnete man diese Bauelemente noch nicht als Transistor; der Begriff „Transistor“ wurde 1948 von John R. Pierce geprägt.

In den USA wurde der erste funktionierende Bipolartransistor (Spitzentransistor) bei den Bell Laboratories entwickelt und am 23. Dezember 1947 bei einer internen Demonstration erstmals präsentiert.^[5] Zur gleichen Zeit entwickelten die deutschen Forscher Mataré und Welker den ersten funktionsfähigen „französischen Transistor“ in der kleinen nicht mit Westinghouse Electric verbundenen Firma Compagnie des Freins & Signaux Westinghouse in Aulnay-sous-Bois bei Paris und reichten dafür am 13. August 1948 eine Patentanmeldung ein.^[6][7][8] Am 18. Mai 1949 wurde diese europäische Erfindung als „Transistron“ der Öffentlichkeit präsentiert.^[9]

Unterlagen beweisen, dass Shockley und Pearson funktionierende Transistoren gebaut haben, die auf den Patenten von Lilienfeld und Heil basieren. Sie unterließen es, diese grundlegenden Lilienfeld-Patente in ihren Veröffentlichungen, späteren Forschungsberichten oder historischen Berichten zu erwähnen.^[10] Die an der Erfindung des Transistors beteiligten William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain erhielten dafür 1956 den Nobelpreis für Physik.

In den 1950er-Jahren gab es einen Wettlauf zwischen der Elektronenröhre und den damals üblichen Bipolartransistoren, in dessen Verlauf die Chancen des Bipolartransistors häufig eher skeptisch beurteilt wurden. Feldeffekttransistoren spielten im Gegensatz zu den ersten Bipolartransistoren in den 1950er bis in die späten 1960er-Jahre kaum eine Rolle. Sie ließen sich mit den damaligen Kenntnissen nicht wirtschaftlich fertigen und waren umständlich zu handhaben. Zur Lösung der bei bipolaren Transistoren auftretenden Probleme wie Leistungsbedarf und Anforderungen für integrierte Schaltungen beschäftigte man sich ab ca. 1955 eingehender mit den Halbleiteroberflächen und entwickelte in Folge Fertigungsverfahren wie die Planartechnik, die die Feldeffekttransistoren in dem Folgejahrzehnt zur Serienreife brachten.

Kleinleistungstransistoren aus den 1970ern

Die ersten handelsüblichen Bipolartransistoren wurden aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt und ähnlich wie Elektronenröhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Seit den späten 1960er-Jahren kommen großteils Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Anwendung. Als Basismaterial wurde nun verstärkt das technisch vorteilhaftere Silizium eingesetzt.

Der erste auf Galliumarsenid basierende Feldeffekttransistor (MESFET) wurde 1966 von Carver Mead entwickelt ^[11]. Dünnschichttransistoren (engl. thin film transistor, abgekürzt TFT) wurden bereits 1962 von P. Weimer entwickelt, konnten aber erst rund 30 Jahre später im Bereich heute üblicher farbiger TFT-Displays einen Anwendungsbereich finden ^[12].

Wenn man alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (Arbeitsspeicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde.

Typen

Unterschieden werden zwei große Arten von Transistoren, der Bipolartransistor und der Feldeffekttransistor, die sich grundsätzlich durch die Art der Ansteuerung voneinander unterscheiden.

Bipolartransistor

Schaltsymbole bipolarer Transistoren

Alternatives Modell eines Bipolartransistors.

Bipolare Transistoren werden durch einen elektrischen Strom angesteuert. Die Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke führt zu Veränderungen der Raumladungszonen im Inneren des Bipolartransistors und kann dadurch einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. Je nach Dotierungsfolge im Aufbau unterscheidet man zwischen npn (negativ-positiv-negativ) und pnp-Transistoren (positiv-negativ-positiv). Dotierung bedeutet in diesem Zusammenhang das Einbringen von Fremdatomen bei dem Herstellungsprozess in eine Schicht des hochreinen Halbleitermaterials, um die Kristallstruktur zu verändern.

Die Bezeichnung bipolar leitet sich bei diesem Transistor von dem Umstand ab, dass der Ladungsträgertransport im Transistor sowohl durch bewegliche negative Ladungsträger, die Elektronen, als auch durch positive Ladungsträger, sogenannte Defektelektronen, also unbesetzte Zustände im Valenzband, die sich durch Generation und Rekombination von Elektronen im Kristall bewegen, gebildet wird. Bipolare Transistoren sind grundsätzlich immer selbstsperrend: Ohne Ansteuerung mittels eines kleinen Stromes durch die Basis-Emitter-Strecke sperrt der Transistor auf der Kollektor-Emitter-Strecke.

Im Schaltsymbol ist der Anschluss Emitter (E) in beiden Fällen mit einem kleinen Pfeil versehen: Bei einem npn-Transistor zeigt dieser vom Bauelement weg, beim pnp-Transistor weist er zu dem Bauelement hin. Der Pfeil beschreibt die elektrische Stromrichtung (Bewegung gedachter positiver Ladungsträger) am Emitter. Der Anschluss in der Mitte wird Basis (B), der dritte Anschluss Kollektor (engl.: collector, C) genannt. In frühen Jahren wurde bei den damals oft eingesetzten diskreten Transistoren zur Kennzeichnung des Transistorgehäuses ein Kreis um das jeweilige Symbol gezeichnet. Die Kreissymbole sind durch den heutigen vorherrschenden Einsatz integrierter Schaltungen unüblich geworden.

Eine spezielle Form der Verschaltung zweier Bipolartransistoren wird als Darlington-Transistor oder als Darlington-Schaltung bezeichnet. Damit kann eine besonders hohe Stromverstärkung erreicht werden. Weitere Details zu den Besonderheiten und Ansteuerungen finden sich in dem eigenen Artikel über Bipolartransistoren und in der mathematischen Beschreibung des Bipolartransistors. Einfache Schaltungsbeispiele finden sich in dem Artikel über Transistorgrundschaltungen und bei den Ersatzschaltungen des Bipolartransistors.

Feldeffekttransistor

Feldeffekttransistoren, abgekürzt FET, oder auch als unipolare Transistoren bezeichnet, werden durch eine Spannung gesteuert. Besonders für FET ist ein sehr hoher Eingangswiderstand im statischen Betrieb und die daher fast leistungslose Ansteuerung typisch.

Die Anschlüsse werden als Gate (dt. Tor, Gatter), das der Steueranschluss ist, Drain (dt. Abfluss) und Source (dt. Quelle) bezeichnet. Bei MOSFETs (Metalloxidschicht) kommt noch ein weiterer Anschluss, das so genannte Bulk (dt. Substrat) hinzu, das meist mit dem Source-Anschluss verbunden wird. Der Widerstand und somit der Strom der Drain-Source-Strecke wird durch die Spannung zwischen Gate und Source und das dadurch entstehende elektrische Feld gesteuert. Die Steuerung ist im statischen Fall fast stromlos. Der gesteuerte Strom im Drain-Source-Kanal kann, im Gegensatz zum Kollektorstrom von Bipolartransistoren, in beiden Richtungen fließen.

Die Klasse der Feldeffekttransistoren unterteilt sich in Sperrschicht-FETs (JFETs) und in die FETs, die mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (MISFET, MOSFET) versehen sind. Unterschieden wird bei Feldeffekttransistoren darüber hinaus je nach Dotierung des Halbleiters zwischen n- und p-FETs, die sich bei den MOSFETs weiter in selbstleitende und selbstsperrende Typen aufteilen.

Bei den Unipolartransistoren ist immer nur eine Ladungsträgerart, negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Defektelektronen, am Ladungsträgertransport durch den Transistor beteiligt.

Sperrschicht-FET

Schaltsymbole von JFETs

Bei Sperrschicht-FETs, abgekürzt JFET (engl. junction FET), wird die elektrisch isolierende Schicht zu dem Gate durch eine in Sperrrichtung betriebene Diode und deren unterschiedlich große Raumladungszone gebildet. Sperrschicht-FETs sind immer selbstleitende Transistoren: ohne Spannung am Gate sind sie zwischen Source und Drain leitend. Durch das Anlegen einer Gate-Spannung geeigneter Polarität wird die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain reduziert.

Auch JFETs gibt es in zwei Arten: n-Kanal und p-Kanal. Im Schaltsymbol wird bei einem n-Kanal der Pfeil zu dem Transistor gezeichnet und auf dem Gate-Anschluss eingezeichnet, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Beim p-Kanal-Typ ist die Pfeilrichtung umgekehrt. Sperrschicht-FETs finden wegen der etwas komplizierteren Ansteuerung nur in speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Mikrofonverstärkern, Anwendung.

MISFET

Schaltsymbole von MOSFETs

Die andere große Gruppe sind Feldeffekttransistoren mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (IGFET, MISFET). Der eher ungebräuchliche Überbegriff MISFET leitet sich von der englischen Bezeichnung metal insulator semiconductor field-effect transistor ab. Dabei wird, wie der Name schon andeutet, das „metallische“ Gate durch einen Isolator vom stromführenden Kanal zwischen Source und Drain elektrisch isoliert. Aus historischen Gründen wird statt MISFET meist die Bezeichnung MOSFET synonym verwendet. MOSFET steht für englisch metal oxide semiconductor field-effect transistor (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und geht auf die Ursprünge der Halbleitertechnik zurück. Damals wurde als Gate-Material Aluminium und als Isolator Siliziumdioxid verwendet. Mit Technologiestand im Jahr 2008 wird vornehmlich Polysilizium als Gate-Material eingesetzt, nur Intel nutzt seit einigen Jahren wieder Metalle. Dies wird in Verbindung mit High-k-Materialien aus Metalloxiden meist als Metal-Gate-Technik bezeichnet. In Verbindung mit dem Substratmaterial Silizium bietet sich Siliziumdioxid als Isolationsmaterial an, da es sich technologisch sehr einfach in den Herstellungsprozess integrieren lässt.

Ein Vorteil der MISFET-Technik ist, dass durch den Einsatz eines Isolators im Betrieb keine Raumladungszone als Trennschicht, wie beim Sperrschicht-FET mit entsprechender Ansteuerungspolarität, gebildet werden muss. Der Gate-Anschluss kann somit in bestimmten Bereichen mit sowohl positiven als auch negativen Spannungen gegen den Source-Anschluss beaufschlagt werden.

Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich sowohl n- und p-Kanal-MOSFETs herstellen. Diese lassen sich auch in Form von selbstleitenden oder selbstsperrenden Typen im Rahmen der Herstellungsprozesses konfigurieren. Die Schaltsymbole umfassen damit vier mögliche Variationen wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die selbstleitenden MOSFETs, auch als Verarmungs-Typ bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlüssen Drain und Source aufweisen. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch Anreicherungs-Typ bezeichnet, unterbrochen. Der Pfeil wird bei diesen Transistoren am Bulk-Anschluss eingezeichnet und bei einem n-Kanal Typ zu dem Transistorsymbol orientiert, bei einem p-Kanal vom Transistor weg gezeichnet. Der Bulk-Anschluss ist meistens fix mit dem Source-Anschluss direkt am Halbleiter verbunden.

Wegen der größeren Vielfalt und der leichteren elektrischen Steuerbarkeit sind MOSFETs die heute mit großem Abstand am meisten produzierten Transistoren. Möglich wurde dies vor allem durch die so genannten CMOS-Technologie, bei der n- und p-MOSFETs kombiniert werden. Der Einsatz dieser Technologie erlaubte erst die Realisierung von hochkomplexen, integrierten Schaltungen mit einer deutlich reduzierten Leistungsaufnahme, die mit anderen Transistortypen nicht möglich wäre.

Schutz vor elektrostatischen Entladungen

Gefahrenzeichen für elektrostatisch gefährdete Bauteile wie MOSFETs

MOSFETs weisen durch die sehr hochohmige Isolierung des Gates vom Source-Kanal eine große Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen (abgekürzt ESD für ElectroStatic Discharge) auf. Dies führt bei unsachgemäßer Handhabung von elektronischen Bauteilen, die aus Feldeffekttransistoren bestehen, zu einem Durchbruch der Gate-Isolierschicht und damit zur Zerstörung der Feldeffekttransistoren. Die daraus resultierenden Schwierigkeiten bei der Handhabung waren einer der Gründe, warum Feldeffekttransistoren sich gegenüber Bipolartransistoren erst einige Jahrzehnte später am Markt durchsetzen konnten.

Heutige diskrete Feldeffekttransistoren und integrierte Schaltungen weisen meist zusätzlich eingebaute Schutzdioden und entsprechende Halbleiterstrukturen an den Anschlussleitungen auf, welche die Auswirkungen von elektrostatischen Entladungen auf die empfindliche Isolierschicht minimieren. Trotzdem müssen bei der Handhabung von Feldeffekttransistoren immer noch besondere Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen getroffen werden. So sind beispielsweise Arbeits- und Fertigungsbereiche, in denen mit Feldeffekttransistoren gearbeitet wird, durch ESD-Warnschilder gekennzeichnet.

Spezielle Transistortypen

Neben den Transistorgrundtypen gibt es einige weitere Varianten für spezielle Anwendungsbereiche wie den Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode, abgekürzt IGBT. Diese Transistoren finden seit Ende der 1990 Jahre vor allem in der Leistungselektronik Anwendung und stellen eine Kombination aus MOS- und Bipolartechnologie in einem gemeinsamen Gehäuse dar. Da diese Leistungstransistoren Sperrspannungen bis zu 6 kV aufweisen und Ströme bis zu 3 kA schalten können, ersetzen sie in der Leistungselektronik zunehmend Thyristoren.

Fototransistoren sind optisch empfindliche bipolare Transistoren, wie sie unter anderem in Optokopplern Verwendung finden. Die Steuerung dieser Transistoren erfolgt nicht durch einen kleinen Basis-Emitter-Strom, sondern durch den Einfall von Licht. Licht hat in der Raumladungszone des p-n-Überganges des Bipolartransistors eine ähnliche Wirkung wie der Basisstrom. Deswegen sollten herkömmliche Transistoren, bei welchen dieser Effekt unerwünscht ist, in einem lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht sein.

Ein heute kaum noch verwendeter Transistor ist der Unijunctiontransistor, abgekürzt UJT. Er ähnelt in seiner Funktion eher Thyristoren bzw. den Diacs, wird historisch aber zu den Transistoren gezählt. Seine Funktion, beispielsweise in Sägezahngeneratoren, wird heute großteils durch integrierte Schaltungen realisiert.

In manchen Flüssigkristallbildschirmen, den meist farbfähigen TFT-Displays, kommen pro Pixel im aktiven Bildbereich bis zu drei Dünnschichttransistoren zu Anwendung. Diese Feldeffekttransistoren sind praktisch durchsichtig. Sie werden zur Ansteuerung der einzelnen Pixel verwendet und ermöglichen im Vergleich zu den transistorlosen, farbfähigen LC-Displays einen höheren Kontrast. Je nach Größe des TFT-Display können pro Bildschirm bis zu einigen Millionen Dünnfilmtransistoren eingesetzt werden.

In elektrisch programmierbaren Festwertspeichern wie EPROMs und EEPROMs finden spezielle MOSFET mit einem so genannten Floating Gate als primäres Speicherelement Anwendung. Durch die im Floating Gate gespeicherte elektrische Ladung ist der Transistor permanent ein- bzw. ausgeschaltet und kann den Informationsgehalt von einem Bit speichern. Das Beschreiben, und bei einigen Typen auch das Löschen, wird mittels des quantenmechanischen Tunneleffektes ermöglicht.

Werkstoffe und Aufbau

Bipolare Transistoren wurden in der Anfangszeit aus dem Halbleiter Germanium gefertigt, während heute überwiegend der Halbleiter Silizium sowohl bei Feldeffekttransistoren als auch Bipolartransistoren verwendet wird. Der schrittweise Ersatz von Germanium durch Silizium im Laufe der 1960er und 1970er Jahre geschah aus folgenden Gründen:

1. Silizium besitzt ein stabiles, nichtleitendes Oxid (Siliziumdioxid), das sehr gute Haftungseigenschaften auf Silizium besitzt. Dies ist bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren besonders wichtig.
2. Silizium ist wie Germanium ein Elementhalbleiter, dessen Gewinnung und Handhabung vergleichsweise einfacher als von Germanium ist. Silizium ist, im Gegensatz zu den giftigen Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid, auch nicht giftig.
3. Für Silizium stehen eine Vielzahl von Dotierungsmaterialien zur Verfügung.
4. Die Herstellung von Silizium-Einkristallen ist deutlich kostengünstiger als bei Germanium.

Für Spezialanwendungen werden weitere Materialien eingesetzt. So besitzen einige Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid bessere Eigenschaften für hochfrequente Anwendungen, sind aber teurer zu fertigen und benötigen andere Fertigungseinrichtungen. Um diese praktischen Nachteile von Galliumarsenid zu umgehen, existieren auch verschiedene Halbleiterkombinationen wie Siliziumgermanium, die für höhere Frequenzen verwendbar sind. Für Hochtemperaturanwendungen kommen für die Herstellung von Transistoren spezielle Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) zur Anwendung. Diese Transistoren können beispielsweise direkt an einem Verbrennungsmotor bei Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden.^{[13] [14]} Bei siliziumbasierenden Halbleitern liegt die maximale Betriebstemperatur im Bereich von 150 °C.

Nachfolgend sind als Schnittdarstellung durch den Halbleiter die unterschiedlichen Dotierungen im Aufbau von bipolaren und unipolaren Transistoren dargestellt. Dabei markieren Bereiche, die mit p gekennzeichnet sind, positiv dotierte Zonen im Halbleiter und p+ besonders stark positiv dotierte Bereiche. In diesen Bereichen überwiegen positive Ladungsträger (Defektelektronen). In n bzw. n⁺⁺ dotierten Bereichen überwiegen negative Ladungsträger.

Schematischer Aufbau eines pnp-dotierten Bipolartransistors in Epitaxial-Planartechnik

Prinzipieller Aufbau eines n-Kanal MOSFETs im Querschnitt.

Anwendungsbereiche

Transistoren werden heutzutage in nahezu allen elektronischen Schaltungen verwendet. Der Einsatz als einzelnes (diskretes) Bauelement spielt dabei eine nebensächliche Rolle. Sogar in der Leistungselektronik werden zunehmend mehrere Transistoren auf einem Substrat gefertigt, dies geschieht hauptsächlich aus Kostengründen.

Digitale Schaltungstechnik

Ausgehend von der Zahl der gefertigten Bauelemente ist das Hauptanwendungsgebiet von Transistoren in der Digitaltechnik der Einsatz in integrierten Schaltungen, wie Speicher (z. B. RAM-Speicher oder Flash-Speicher), Mikrocontroller und Mikroprozessoren und Logikgattern. Dabei befinden sich bis zu einigen 100 Millionen Transistoren auf einem Substrat, welches meistens aus Silizium besteht, mit einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern. Die im Jahr 2009 noch exponentiell wachsende Steigerungsrate bei der Bauelementeanzahl pro integriertem Schaltkreis wird auch als Mooresches Gesetz bezeichnet.

Die Größe der Transistoren (Gate-Länge) beträgt beispielsweise bei hochintegrierten Chips im Jahr 2009 oft nur noch 45 nm und wird in den kommenden Jahren noch weiter sinken. In nachfolgender Tabelle ist beispielhaft die Anzahl der auf einigen Mikroprozessoren eingesetzten Transistoren angegeben:

Prozessortyp	Anzahl der Transistoren	Entwicklungsjahr
Intel 4004	2.300	1971
Intel Pentium (P5)	3.100.000	1993
Intel Core 2 (Yorkfield) pro Die	410.000.000	2007
Intel Itanium 2 Montecito	1.720.000.000	2006

Analoge Schaltungstechnik

In der analogen Schaltungstechnik finden sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren in Schaltungen wie dem Operationsverstärker, Signalgenerator oder als hochgenaue Referenzspannungsquelle Anwendung. Als Schnittstelle zu digitalen Anwendungen fungieren Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer. Die Schaltungen sind dabei im Umfang wesentlich kleiner. Die Anzahl der Transistoren pro Chip bewegen sich im Bereich von einigen 100 bis zu einigen 10.000 Transistoren.

In Transistorschaltungen zur Signalverarbeitung (z. B. Vorverstärker, ADC-Eingangsstufen) ist das Rauschen eine wesentliche Störgröße. Es spielt vor allem das thermische Rauschen und das Schrotrauschen (z. B. Basis- bzw. Kollektorstromes) sowie das 1/f-Rauschen eine Rolle. Beim MOS-Feldeffekttransistor ist beispielsweise das 1/f-Rauschen (bereits unter ca. 1 MHz) besonders groß. Das unterschiedliche Rauschverhalten bestimmt ebenfalls die möglichen Einsatzbereiche der Transistortypen, beispielsweise in Niederfrequenzverstärkern oder in speziellen rauscharmen Hochfrequenzumsetzern.

In der analogen Schaltungstechnik werden auch heute noch diskrete Transistoren unterschiedlichen Typs eingesetzt und mit anderen elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten verbunden, so es für diese Anforderungen noch keine fertigen integrierten Schaltungen bzw. Schaltungsteile gibt.

Leistungselektronik

Transistoren werden in unterschiedlichen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich von Leistungsverstärkern finden sie sich in Endstufen. Im Bereich der geregelten Stromversorgungen wie bei Schaltnetzteilen finden Leistungs-MOSFETs oder IGBTs Anwendung – sie werden dort als Wechselrichter und synchroner Gleichrichter verwendet. IGBT und Leistungs-MOSFETs dringen zunehmend in Bereiche vor, die bisher größeren Thyristoren vorbehalten waren, beispielsweise in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen. Der Vorteil von Leistungstransistoren gegenüber Thyristoren ist die Möglichkeit, Transistoren jederzeit ein- oder ausschalten zu können. Herkömmliche Thyristoren können zwar jederzeit eingeschaltet (gezündet) werden, aber nicht bzw. nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand wieder ausgeschaltet werden. Ein Umstand, der vor allem bei Gleichspannungsanwendungen von Nachteil ist.

Aufgrund der in der Leistungselektronik auftretenden Verlustleistungen kommen meist größere Transistorgehäuse wie TO-220 oder TO-3 zur Anwendung, die zusätzlich eine gute thermische Verbindung zu Kühlkörpern ermöglichen.

Einzelnachweise

1. ↑ The First Transistor Information zur Herkunft des Wortes „Transistor“ auf der Webseite der The Nobel Foundation
2. ↑ Patent US 1745175 Julius Edgar Lilienfeld: „Method and Apparatus For Controlling Electric Currents“ Erstanmeldung am 22. Oktober 1925 (Kanada)
3. ↑ Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u. a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5
4. ↑ Patent GB 439457 Oskar Heil: „Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices“ Erstanmeldung am 2. März 1934 (Deutschland)
5. ↑ Walter H. Brattain: Laboraufzeichnungen vom 24. Dezember 1947 (PDF; 2,2 MB)
6. ↑ Patent FR 1010427 H. F. Mataré, H. Welker: „Nouveau sytème cristallin à plusieurs électrodes réalisant des effects de relais électroniques“ angemeldet am 13. August 1948
7. ↑ Patent US 2673948 H. F. Mataré, H. Welker: „Crystal device for controlling electric currents by means of a solid semiconductor“ französische Priorität 13. August 1948
8. ↑ Armand van Dormael: The “French” Transistor. In: Proceedings of the 2004 IEEE Conference on the History of Electronics. Bletchley Park, June 2004.]
9. ↑ Foto des Transistrons in: „Computer History Museum“
10. ↑ R.G. Arns: The other transistor: early history of the metal–oxide–semiconductor field-effect transistor. In: Engineering Science and Education Journal. Vol. 7, Nr. 5, Oktober 1998, S. 233–240. 
11. ↑ Carver A. Mead: Schottky barrier gate field effect transistor. In: Proceedings of the IEEE Nr. 2, 1966, Volume 54, S. 307–308, Februar 1966
12. ↑ P. Weimer: The TFT – a new thin film transistor. In: Proceedings IRE Nr. 50, 1962, S. 1462–1469
13. ↑ A. K. Agarwal, et al.: SiC Electronics. In: International Electron Devices Meeting. Dezember 1996, S. 225–230
14. ↑ P. G. Neudeck, G. M. Beheim, C. S. Salupo: 600 °C Logic Gates Using Silicon Carbide JFET's In: Government Microcircuit Applications Conference Technical Digest, Anahiem, März 2000, S. 421-424

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12 Auflage. Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6. 
• I. M. Ross: The invention of the transistor. In: Proceedings of the IEEE. 86, Nr. 1, 1998, S. 7–28. 
• R. G. Arns: The other transistor: early history of the metal-oxidesemiconductor field-effect transistor. In: Engineering Science and Education Journal. 7, Nr. 5, 1998, S. 233–240. 

Siehe auch

• Regency TR-1, das erste kommerzielle Transitorradio der Welt.

Weblinks

• Peter Salomon: „Deutsche Halbleiter-Technik vor 1945 ?“
• Einige Transistor-Grundschaltungen
• Anschauliche Erklärung des Transistoreffekts
• Schalten und Steuern mit Transistoren
• John Markoff: „Herbert F. Mataré. An inventor of the transistor has his moment.“ New York Times 24. Februar 2003
• Michael Riordan: „How Europe Missed The Transistor“ IEEE Spectrum Vol. 42, issue 11 S. 52 - 57 November 2005 (DOI)