Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, bestehend aus einem Halbleiter als Grundmaterial, das zum Schalten und zum Verstärken von elektrischen Strömen und Spannungen verwendet wird. Der Transistor erlaubt durch kleine Steuerspannungen bzw. kleine Steuerströme größere elektrische Ströme ohne mechanische Bewegungen zu beeinflussen. Die Bezeichnung ist eine Kurzform für die englische Bezeichnung Transfer Varistor oder Transformation Resistor die den Transistor als einen durch Spannung oder Strom steuerbaren elektrischen Widerstand (engl. resistor) beschreibt.
Transistoren werden in der Nachrichtentechnik (z. B. im Transistorradio), Automatisierungstechnik und in Computersystemen in großer Zahl als elementares Schaltelement eingesetzt. Die Vorteile des Transistors sind seine geringe Größe, geringer Leistungsverbrauch sowie in integrierten Schaltungen niedrige Herstellungskosten pro Transistor.
Geschichte
Die ersten Patente zum Prinzip des Transistors wurden von Julius Edgar Lilienfeld (Deutschland) 1926 angemeldet [1]. Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, welches im weitesten Sinne mit heutigen Feldeffekttransistoren vergleichbar ist und mit ähnlichen Eigenschaften wie eine Elektronenröhre. Zu dieser Zeit fehlten allerdings die notwendigen Technologien Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren [2].
Im Jahr 1934 konstruierte der deutsche Physiker Oskar Heil den ersten Feldeffekttransistor, welcher mit heute üblichen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) vergleichbar ist. Die ersten praktisch realisierten JFET mit einem p-n-Übergang (positiv-negativ) und einem sogenannten Gate als Steuerelektrode gehen auf Herbert Matare, Heinrich Welker und parallel dazu William B. Shockley und Walter H. Brattain aus dem Jahr 1945 zurück. Damit wurde der Feldeffekttransistor noch vor der Erfindung des Bipolartransistors realisiert. Allerdings bezeichnete man damals Feldeffekttransistoren noch nicht als Transistor. Der Begriff Transistor wurde erst in den Jahren nach 1948 gebildet.
Die Erfindung und Realisierung des ersten funktionierenden Bipolartransistors wird auf Dezember 1947 in den Bell Laboratories datiert. Beteiligt an der Erfindung waren William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, die dafür 1956 den Nobelpreis für Physik erhielten. In den 1950er Jahren gab es einen Wettlauf zwischen Röhre 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 Kenntnisstand nicht wirtschaftlich fertigen und waren umständlich zu handhaben. Erst mit auftretenden Problemen bei den bipolaren Transistoren, wie deren Leistungsbedarf und Anforderungen bei integrierten 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.
Die ersten handelsüblichen Bipolartransistoren wurden aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt und wurden ähnlich wie Elektronenröhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Seit den späten 1960er Jahren kommen grossteils Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Anwendung und als Basismaterial wurde verstärkt das technisch vorteilhaftere Silizium eingesetzt.
Der erste auf Galliumarsenid basierende Feldeffekttransistor (MESFET) wurde 1966 von Carver Mead entwickelt [3]. 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 [4].
Wenn alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (Arbeitsspeicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt werden, 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
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, den Elektronen, als auch durch positive Ladungsträger, dies sind die ortsfesten Ladungsträger des Atomverbandes welche in einem Halbleiter als Defektelektronen bezeichnet werden, 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 weg vom Bauelement, bei einem pnp-Transistor weist er zu dem Bauelement. Dieser Pfeil beschreibt die elektrische Stromrichtung am Emitter. Der Anschluss in der Mitte ist die Basis (B), der dritte Anschluss der Kollektor(engl.: collector, C). In früheren Jahren wurde manchmal bei den damals oft eingesezten diskreten Transistoren ein Kreis um das jeweilige Symbol gezeichnet, welches das Transistorgehäuse darstellen soll. Das Symbol mit Kreis ist durch die stärkere Verbreitung von integrierten Schaltungen und darauf integrierten Transistoren heute unüblich.
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) welcher der Steueranluss ist, Drain (dt. Abfluss) und Source (dt. Quelle) bezeichnet. Bei MOSFETs (Metalloxidschicht) kommt noch ein weiterer Anschluss, das so genannte Bulk (dt. Substrat) hinzu welches 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 unterteilen sich in Sperrschicht-FETs (JFETs) und in die FETs, welche 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
 n-Kanal JFET |
 p-Kanal JFET |
Bei Sperrschicht-FETs, abgekürzt JFET (engl. junction FET), wird die elektrisch isoliertende Schicht zu dem Gate durch eine in Sperrrichtung betriebene Diode und deren unterschiedlich große Raumladungszone gebildet. Sperrschicht-FETs sind immer selbstleitende Transistoren. Dies bedeutet, sie leiten ohne Ansteuerung am Gate einen Strom zwischen Source und Drain und durch eine Spannung entsprechender Polarität am Ansteueranschluss Gate kann diese Leitfähigkeit reduziert werden.
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 nebenstehener Abbildung dargestellt. Bei dem p-Kanal Typ ist die Pfeilrichtung umgekehrt. Sperrschicht-FETs finden wegen der etwas komplizierteren Ansteuerung nur in speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Mikrofonverstärkern, Anwendung.
MISFET (MOSFET)
Die andere große Gruppe sind Feldeffekttransistoren mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (IGFET, MISFET). Die größte und bekannteste Gruppe daraus stellen die Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistoren, abgekürzt MOSFETs, dar. Dabei wird, wie der Name schon andeutet, das Gate durch einen Isolator vom stromführenden Kanal zwischen Source und Drain elektrisch isoliert. Gerade bei Silizum als Basiswerkstoff lassen sich technologisch sehr einfach gut isolierende Siliziumdioxydstrukturen zwischen dem Gate und dem darunter liegenden Kanal erzeugen. Da im Betrieb keine Raumladungszone als Trennschicht, wie beim Sperrschicht-FET mit entsprechender Ansteuerungspolarität, gebildet werden muss, kann der Gate-Anschluss 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 großen Abstand am meisten produzierten Transistoren. Möglich wurde dies vor allem durch die sogenannten 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, welche mit anderen Transistortypen nicht möglich wäre.
Schutz vor elektrostatischen Entladungen
MOSFETs weisen, durch die sehr hochohmige Isolierung des Gates vom Source-Kanal, eine große Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen (abgekürzt ESD) auf. Dies führt bei unsachgemässer Handhabung von elektronischen Bauteilen, welche 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 Vorsichtmassnahmen zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen getroffen werden. So sind beispielsweise Arbeits- und Fertigungsbereiche, in denen mit Feldeffekttransistoren gearbeitet wird, durch ESD-Warnschilder gekennzeichnet.
Werkstoffe und Aufbau
Bipolare Transistoren wurden in der Anfangszeit aus dem Halbleiter Germanium gefertigt, während heute überwiegend der Halbleiter Silizium verwendet wird. Der schrittweise Ersatz von Germanium durch Silizium im Laufe der 1960er und 1970er Jahre geschah aus folgenden Gründen:
- Silizium besitzt ein stabiles, nichtleitdendes Oxid (Siliziumdioxid), welches sehr gute Haftungseigenschaften auf Silizium besitzt. Dies ist bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren besonders wichtig.
- 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.
- Für Silizium stehen eine Vielzahl von Dotierungsmaterialien zur Verfügung.
- Die Herstellung von Silizium-Einkristallen ist deutlich kostengünstiger als bei Germanium.
Für Spezialanwendungen werden auch 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 aus Germanium-Silizium welche für höhere Frequenzen verwendenbar sind. Für Hochtemperaturanwendungen kommen für die Herstellung von Transistoren spezielle Halbleitermaterialien wie Siliciumcarbid (SiC) zur Anwendung. Diese Transistoren können beispielsweise direkt an einem Verbrennungsmotor bei Temperaturen um 300°C zu Steuerzwecken eingesetzt werden. 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 welche mit p gekennzeichnet sind positiv dotierte Zonen im Halbleiter und p+ besonders stark positiv dotierte Bereiche. In diesem Bereichen überwiegen positive Ladungsträger (Defektelektronen). In n bzw. n++ dotierten Bereichen überwiegen negative Ladungsträger.
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Spezielle Transistortypen
Neben diesen Transistorgrundtypen gibt es einige Varianten 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-Emitterstrom 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 Ansteurung 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.
Anwendungsbereiche
Transistoren werden heutzutagen 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. DRAM), Mikrocontroller und Mikroprozessoren. Dabei befinden sich bis zu einigen 100 Millionen Transistoren auf einem Substrat (hauptsächlich Silizium) mit einer Fläche von wenigen Quadratmilimetern. Die derzeit noch exponentiell wachsende Steigerungsrate bei der Bauelementeanzahl pro integriertem Schaltkreis wird auch als Mooresches Gesetz bezeichnet.
Die Größe der Transistoren (Gate-Länge) beträgt bei heutigen hochintegrierten Chips oft nur noch 65 nm und wird in den kommenden Jahren noch weiter sinken. In nachfolgender Tabelle ist die Anzahl der auf unterschiedlichen Mikroprozessoren eingesetzten Transistoren angegeben:
| Prozessortyp | Anzahl der Transistoren | Entwicklungsjahr | Hersteller |
|---|---|---|---|
| Intel 4004 | 2300 | 1971 | Intel |
| Pentium 4 | 42.000.000 | 2000 | Intel |
| Dual-Core Itanium 2 | 1.700.000.000 | 2006 | Intel |
Analoge Schaltungstechnik
In der analogen Schaltungstechnik finden sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren in Schaltungen wie dem Operationsverstärker, Analog-Digital-Umsetzer, Signalgenerator oder als hochgenaue Referenzspannungsquelle Anwendung. 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 der analogen Schaltungstechnik werden auch heute noch diskrete Transistoren unterschiedlichen Typs eingesetzt, 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, welche zusätzlich eine gute thermische Verbindung zu Kühlkörpern ermöglichen.
Literatur
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6.
Quellen
- ↑ J. E. Lilienfeld: Method and Apparatus For Controlling Electric Currents. U.S.-Patent 1.745.175, 1930.
- ↑ Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u. a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-4085-3050-5
- ↑ Carver A. Mead: Schottky barrier gate field effect transistor. In: Proceedings of the IEEE Nr. 2, 1966, Volume 54, S. 307–308, Februar 1966
- ↑ P. Weimer: The TFT – a new thin film transistor. In: Proceedings IRE Nr. 50, 1962, S. 1462–1469
