- Transistor allgemein

- Geschichte

- Unterscheidung Transistoren

- Feldeffekttransistoren

- Arten von Feldeffekttransistoren und Begrenzung auf die 2 gebräuchlichsten

- JFET

- MOSFET

- Bauformen

Transistor allgemein

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, welches zum Schalten und Verstärken von elektrischem Strom verwendet wird. Die Bezeichnung Transistor ist eine Kurzform für die englische Bezeichnung „Transfer Varistor“, die ihn als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreibt.

Geschichtlicher Hintergrund

Die Erfindung des Transistors wird allgemein auf Dezember 1947 datiert. Beteiligt an der Erfindung waren William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, die 1956 den Nobelpreis dafür erhielten. In den 1950er Jahren gab es einen Wettlauf zwischen Röhre und Transistor, in dessen Verlauf die Chancen des Transistors häufig eher skeptisch beurteilt wurden.

Zuerst wurden Transistoren aus Germanium hergestellt und ähnlich wie Röhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Das Germanium wurde später durch Silizium ersetzt.

Wenn man alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (dazu gehören Speicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die je von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde. Laut Gordon Moore, dem Mitbegründer der Firma Intel, wurden allein im Jahr 2002 eine Trillion Transistoren produziert

Unterschieden werden zwei Arten von Transistoren

Normale Transistoren haben eine npn- oder pnp-Schichtenfolge und werden bipolare Transistoren genannt. Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Deren Anschlüsse werden mit Basis, Emitter und Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Emitter-Kollektor-Strecke steuern.

Bei unipolaren Transistoren zu denen auch Feldeffekttransistoren (kurz: FET)) gehören, werden die Anschlüsse als Gate (engl. Tor), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung erfolgt fast stromlos

Der Feldeffekttransistor allgemein

Der Feldeffekttransistor ist ein unipolarer Transistor. Unipolar daher, weil im Gegensatz zum bipolaren Transistor, je nach Typ, entweder nur Defektelektronen (Löcher) oder Elektronen am Stromtransport beteiligt sind.

Während die Ladungsträgerströme in den bipolaren Transistoren zwei PN-Übergänge überwinden und damit durch verschiedenleitende Schichten fließen, findet der Ladungsträgertransport bei den unipolaren Transistoren innerhalb einer einzigen gleichleitenden Schicht statt. Gesteuert wird der Ladungsträgerstrom durch elektrische Felder. Deshalb nennt man diese Bauelemente auch Feldeffekttransistoren.

Das Prinzip des FET ist schon seit Ende der 20er Jahre bekannt, jedoch kam er erst mit der Beherrschung der Silizium-Halbleitertechnologie zur Serienreife.

Die Funktionsweise

Wie gesagt hat der FET drei Anschlüsse, Source (Zufluss, Quelle), Gate und Drain (Abfluss). Beim MOSFET ist auch ein vierter Anschluss Bulk (Substrat) vorhanden. Dieser wird bei Einzeltransistoren bereits intern mit Source verbunden und nicht extra herausgeführt.

Durch ein elektrisches Feld, hervorgerufen durch eine Steuerspannung zwischen Gate und Source, wird die Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals des Feldeffekt-Transistors beeinflusst. Je nach benutztem Effekt wird unterschieden zwischen MOSFET und JFET (Junction- oder Sperrschicht-FET). JFETs nutzen einen in Sperrrichtung betriebenen p-n-Übergang, um das elektrische Feld zu bilden. Theoretisch kann dieser auch in Flussrichtung betrieben werden, was allerdings den Vorteil der leistungslosen Ansteuerung zunichte macht.

Der entscheidende schaltungstechnische Unterschied zum bipolaren Transistor besteht in der bei niedrigen Frequenzen praktisch leistungslosen Ansteuerung des FET. Es wird lediglich eine Steuerspannung benötigt.

Ein weiterer Unterschied ist der Ladungstransport in dem unipolaren Source-Drain-Kanal. Diese Tatsache ermöglicht prinzipiell einen inversen Betrieb des FET, d.h. Drain und Source können vertauscht werden. Allerdings trifft dies nur auf sehr wenige FETs zu, weil die meisten Typen sowohl unsymmetrisch aufgebaut als auch die Anschlüsse Bulk und Source intern verbunden haben.

Zusätzlich kann der unipolare Kanal als Widerstand benutzt werden und somit nicht nur Gleich-, sondern auch Wechselströme beeinflussen, was unter anderem bei Dämpfungsschaltungen (Abschwächer, Muting) genutzt wird.

Es gibt folgende Feldeffekt-Transistoren:

Schottky-Feldeffekt-Transistor (MESFET)

Der MESFET ähnelt im Aufbau dem n-Kanal JFET, jedoch tritt an die Stelle des p-dotierten Gates ein Gate aus Metall. Dadurch entsteht eine Schottky-Diode, da das Metall des Gates nun direkt das Halbleitermaterial berührt.

Vorteile: Durch den angrenzenden Schottky-Übergang ist die Ladungsträgerbeweglichkeit im Kanal ungefähr doppelt so groß wie bei MOSFETs. Dadurch sind größere Ströme bei gleichen Abmessungen, sowie höhere Arbeitsfrequenzen möglich.

Anwendung: als Hochfrequenzverstärker (Mikrowellenbereich)

Ionen-Sensitiver Feldeffekt-Transistor (ISFET)

Anstelle des metallischen Gate tritt hier eine Ionensensitive Schicht, die mit einer zu messenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird. Je nach Ionenzusammensetzung der Flüssigkeit werden im leitenden Kanal zwischen Source und Drain Ladungsträger verdrängt oder angereichert. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand, der gemessen werden kann.

Ein ISFET, der selektiv für Wasserstoffionen ist, lässt sich zur PH-Wert-Bestimmung einsetzen.

High Electron Mobility Transistor (HEMT)

Der High Electron Mobility Transistor ist eine spezielle des Bauform für sehr hohe Frequenzen.

Er besteht aus Schichten verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken. Häufig wird das Materialsystem Aluminium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid verwendet, wobei das AlGaAs hoch n-dotiert und das GaAs nicht dotiert wird. Der HEMT ist für Hochfrequenzanwendungen gut geeignet. Die Steuerung des Bauelementes erfolgt, ähnlich wie beim Schottky-Feldeffekt-Transistor über ein Metallgate, das sich direkt auf den n-AlGaAs befindet.

Organischer Feldeffekttransistor (OFET)

Der Organische Feldeffekttransistor ist ein Feldeffekttransistor, der aus Polymeren aufgebaut ist.

Er besteht, genau wie der Feldeffekttransistor, aus den drei Anschlüssen Source, Gate und Drain. Diese liegen auf dem Substrat, das aus PET, PEN oder PVC-Folie besteht.

Für die leitenden Bauteile kommen die Polymere Polyanilin, Polythiophen oder Polypara-phenylen in Betracht. Für den Isolator sind Polymere geeignet.

Neben den All-Organic-OFETs, die vollständig aus organischen Materialien bestehen, werden auch Transistoren als OFETs bezeichnet, bei denen nur das aktive Material organisch ist. Hier kommen sowohl Polymere als auch kleine Moleküle wie z.B. Pentacen, Tetracen und Oligothiopene zum Einsatz. Als Substrat werden meist oxidierte Silizium-Wafer verwendet. Drain- und Source-Elektroden bestehen aus Gold.

Die meistgebräuchlichsten Feldeffekttransistoren sind aber der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET) und der Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) auf die wir im folgenden etwas genauer eingehen wollen.

Der JFET

Beim Sperrschicht-FET (auch Junction-FET genannt) kann der Kristall N- oder P-leitend sein. Die Steuerelektrode muß dann die entgegengesetzte Leitfähigkeit haben (P-Leitung beim N-Kanal-Typ bzw. N-Leitung beim P-Kanal-Typ). Die Betriebs- und Steuerspannung müssen so gepolt werden, dass die PN-Übergänge gesperrt bleiben. Die einwirkenden Felder drängen die im Kristall fließenden Ladungsträger mehr oder weniger stark zusammen und reduzieren damit den Strom. Beim N-Kanal-Typ ist es ein Elektronenstrom, beim P-Kanal-Typ ein Löcherstrom. Beim N-Kanal-Typ muß die Steuerelektrode gegenüber der Quellenelektrode auf negativem Potential liegen, beim P-Kanal-Typ auf positivem Potential.

Die Elektroden werden wie folgt bezeichnet:

· Source = Quelle, (entspricht Emitter)

· Gate = Tor, (entspricht Basis)

· Drain = Abfluß, (entspricht Kollektor)

Grundsätzlich kann man sich merken, dass bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren die Source-Gate-Spannung gegenüber der Source-Drain-Spannung entgegengesetzt gepolt ist. Der Kanal ist von der Gate-Elektrode teilweise umschlossen. Zwischen Source und Drain fließt der durch das Gate steuerbare Strom. Durch die entgegengesetzt gepolten Spannungen U_GS und U_DS wird erreicht, dass sich die PN-Übergänge im gesperrten Zustand befinden. Die Größe der Spannung U_DS beeinflusst die Breite der Sperrschicht. Durch sie verändert sich der wirksame Querschnitt des Kanals und damit auch die Leitfähigkeit der Strecke Drain-Source. Erhöht man die Gate-Source-Spannung soweit, dass sich die Sperrschichten berühren, dann ist der Kanal praktisch gesperrt (abgeschnürt). Diese Spannung nennt man Abschnürspannung. Wird die Spannung wieder verringert, wird der Kanal wieder frei und es kann ein Strom I_Dfließen.

Dieser Zusammenhang zwischen dem Drainstrom I_D und der Steuerspannung U_GS wird in einer Kennlinie verdeutlicht (siehe unten Abb. 1). In ihr ist zusehen, dass bei -U_GS= 6V der Transistor gespperrt ist. Es hat eine Abschnürung des Kanals stattgefunden. Mit Verringerung dieser Spannung steigt der Drainstrom I_D an, bis bei U_GS = 0V der Maximalwert erreicht wird. Der Kanal hat jetzt seine höchste Leitfähigkeit.

Mit der Steuerkennlinie kann eine Aussage über sie Verstärkung gemacht werden. Je steiler die Kennlinie ist, desto größer wird die Stromänderung bei gleich bleibender Spannungsänderung sein. Die Verstärkung ist dann ebenfalls groß.

Die Beziehung zwischen Gate-Source-Spannungsänderung und Drainstromänderung wird in einer Kenngröße zusammengefasst. Sie wird Steilheit S genannt.

Die Ausgangskennlinie ist ebenfalls in Abb. 1 zu sehen. Im Anfangsbereich sind U_DS und I_Detwa proportional. Der Transistor verhält sich wie ein Widerstand. Dieser Bereich wird auch ohmscher Bereich genannt. Er lässt sich in diesem Bereich als steuerbarer Widerstand einsetzen.

Der zweite Bereich ist gekennzeichnet durch eine nahezu geradlinigen Verlauf. Eine Spannungserhöhung zwischen Drain und Source bringt keine nennenswerte Stromänderung. Der Strom wird durch eine bestimmte Steuerspannung U_GS bestimmt. In diesem Bereich liegt der Arbeitspunkt für Verstärker.

Im dritten Bereich kommt es aufgrund der hohen Spannung zwischen Drain und Source zu einem Durchbruch zwischen Drain und Gate. Die Sperrschicht wird abgebaut und die Stromstärke erhöht sich sprungartig. Es besteht Zerstörungsgefahr. Die Durchbruchsspannung bei gängigen Sperrschichttransistoren liegt zwischen 20V und 30V.

Die Steuerung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors geschieht bei gesperrten PN-Übergängen. Dementsprechend gering sind die Eingangsströme. Die Gate-Ströme gängiger Sperrschicht-Feldeffekttransistoren liegen zwischen 10^-8A und 10^-12A. Daraus resultieren hohe Eingangwiderstände von 10GΩ bis 10TΩ.

Der Ausgangswiderstand lässt sich wie bei bipolaren Transistoren ermitteln. Der Gleichstromwiderstand ist das Verhältnis von U_DS zu I_D.

Der differentielle Ausgangswiderstand (Wechselstromwiderstand) ist aus der Steigung der Kennlinie im Arbeitspunkt ermittelbar.

Übliche Werte für r_DS bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren liegen zwischen 60kΩ und 250kΩ.

Feldeffekttransistoren werden häufig im Kleinsignalbereich eingesetzt. Maximale Verlustleistungen von ca. 200mW bei I_Dmax≈ 25mA sind üblich. Es gibt aber auch Feldeffekttransistoren mit großen Leistungen. Der Transistor BUZ 10 z.B. kann bei Spannungen von U_DS ≈ 50V mit I_D ≈ 12A...30A betrieben werden.

Der MOSFET

MOSFET ist die Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor (auch: Silicon) Field Effect Transistor (engl. für „Metall-Oxid-Halbleiter-/-Silizium-Feldeffekttransistor“).

Geschichtlicher Hintergrund

Historisch gesehen ist das MOSFET-Prinzip wesentlich länger bekannt als der Bipolartransistor. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 (von Julius Edgar Lilienfeld) und 1934 (Oskar Heil). Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 gefertigt, als mit dem Silizium/Siliziumdioxid ein Materialsystem zur Verfügung stand, mit dem sich eine reproduzierbar gute Halbleiter-Isolator-Grenzfläche herstellen ließ. Damit verbunden war die Abkehr vom Germanium als Basismaterial und steigende Anforderungen an die Fertigungsbedingungen (Reinräume, strenge Temperaturregime).

Aufbau und Funktionsweise

Der Schlüssel zum Verständnis der MOS-Struktur liegt in der Entstehung eines leitenden Kanals unter dem Gate. Dieser Kanal stellt eine leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen Drain und Source her.

Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs:

Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumkristall (Substrat). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drainanschluss erzeugen. Zwischen den beiden Gebieten befindet sich weiterhin das Substrat, wodurch eine npn-Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt. Über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne, widerstandsfähige Isolierschicht (meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Den Gate-Anschluss des Transistors bildet eine leitende Schicht, die auf diesem Isolierstoff oberhalb des zukünftigen Kanals aufgetragen wird (Verwendung fand hier früher Aluminium, heute n+ dotiertes (entartetes) Polysilizum).

Durch diesen Aufbau bilden Gateanschluss, Isolierschicht und Bulkanschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Dabei wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium-Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Löcher). Dies wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung“ genannt. Ab einer bestimmten Spannung U_th (Threshold-Spannung, Schwellspannung, Pinch-off-Spannung) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von eigentlichen Minoritäten wodurch sich das eigentlich p-dotierte Substrat nahe an der Isolierschicht in einen n-Leiter umwandelt. Dieser Zustand wird starke „Inversion“ genannt. Der entstandene dünne n-leitende Kanal verbindet nun die beiden n-Gebiete Source und Drain, wodurch Ladungsträger (beinahe) ungehindert von Source nach Drain fließen können.

Prinzipiell sind Source- und Drainanschluss zunächst gleichwertig, meist ist der Aufbau aber nicht symmetrisch, um ein besseres Verhalten zu erzielen. Außerdem wird bei den meisten Bauformen Bulk intern mit Source verbunden. Auf die grundlegende Funktion hat die Verbindung keinen Einfluss. Allerdings entsteht nun zusätzlich eine Diode zwischen Source- und Drainanschluss, die parallel zum eigentlichen Transistor liegt (Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den pn-Übergang). Diese Diode ist als Pfeil im Schaltsymbol des Mosfets dargestellt und zeigt beim n-Kanal Mosfet vom Bulkanschluss zum Kanal. In einer Schaltung muss diese Diode immer in Sperrrichtung gepolt sein, da anderenfalls Drain- und Sourceanschluss über die Diode dauerhaft leitend verbunden bleiben.

..............................................................

Wie auch beim Bipolartransistor gibt es zwei komplementäre Bauformen: n-Kanal-MOSFET und p-Kanal-MOSFET. Diese können jeweils noch in selbstsperrende (enhancement transistor, „Anreicherungstyp“) und selbstleitende (depletion transistor, „Verarmungstyp“) Bauformen unterschieden werden.

MOSFET Anreicherungstyp

Der MOSFET befindet sich immer im Sperr-Zustand(deshalb selbstsperrend), wenn keine positive Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluß anliegt.
Wird zwischen Gate und Source eine positive Spannung U_GS angelegt, dann entsteht im Substrat ein elektrisches Feld. Die Elektronen im p-leitenden Substrat(viele Löcher, sehr wenige Elektronen) werden vom positiven Gate-Anschluß angezogen. Sie wandern bis unter das Siliziumdioxid(Isolierschicht).
Die Löcher wandern in entgegengesetzter Richtung. Die Zone zwischen den n-leitenden Inseln enthält überwiegend Elektronen als freie Ladungsträger. Zwischen Source- und Drain-Anschluß befindet sich nun eine n-leitende Brücke(siehe Bild).
Die Leitfähigkeit dieser Brücke lässt sich durch die Gatespannung U_GS steuern.
Die Vergrößerung der positiven Gatespannung führt zu einer Anreicherung der Brücke mit Elektronen. Die Brücke wird leitfähiger. Die Verringerung der positiven Gatespannung führt zu einer Verarmung der Brücke mit Elektronen. Die Brücke wird weniger leitfähig.
Dadurch das die Siliziumdioxid-Schicht isolierend zwischen Aluminium und Substrat wirkt, fließt kein Gatestrom I_G. Zur Steuerung wird nur eine Gatespannung U_GS benötigt.
Die Steuerung des Stromes I_D durch den MOS-FET erfolgt leistungslos.

MOSFET Verarmungstyp

Der eben beschriebene MOSFET ist ein Anreicherungstyp. Er ist selbstsperrend. Es gibt aber auch MOSFETs als Verarmungstypen. Sie sind selbstleitend, weil sie schon nach angelegter Spannung U_DS leitend sind. Das wird durch eine schwache n-Dotierung zwischen den n-leitenden Inseln(Source und Drain) erzeugt. Dieser MOSFET sperrt nur vollständig, wenn die Gatespannung U_GS negativer ist als die Spannung am Source-Anschluß.
Der selbstleitende MOS-FET wird durch eine negative, wie auch eine positive Gatespannung U_GS gesteuert.

Vor- , Nachteile und Anwendungen

Ein Nachteil des MOSFET liegt in seinen prinzipiell schlechten Hochfrequenzeigenschaften aufgrund der geringen Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal, dabei besitzen Elektronen eine höhere Beweglichkeit als Löcher. Erst durch die extreme Verkleinerung (Skalierung) des Bauelementes in den Deep-Submikrometerbereich wird der MOSFET für Anwendungen oberhalb von 1 GHz interessant. Ein entscheidender Vorteil gegenüber Bipolartransistoren ist, dass die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain stromlos (kapazitiv), also leistungslos, gesteuert wird. Er ist außerdem wegen seines einfachen Herstellungsprozesses besonders für integrierte Schaltungen geeignet.

In Leistungsanwendungen ist der sog. Power MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten und geringer Schaltverluste den Bipolartransistoren und IGBTs überlegen. Er erreicht jedoch nicht deren hohe Sperrspannungen. Leistungs-MOSFETs auf Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 800 V und Strömen von bis zu mehreren 100 A eingesetzt. Einsatzgebiete von Silizium-MOSFETs sind u. a. Schaltnetzteile, Synchrongleichrichter, getaktete Strom- und Spannungsregler und auch starke Hochfrequenzsender bis in den UKW-Bereich. In Sonderanwendungen werden Schaltzeiten von nur einigen Nanosekunden bei Spannungen von mehreren Kilovolt durch Reihenschaltung realisiert.

Grundschaltungen

Bauformen

Weiterhin ist zwischen lateralen und vertikalen Bauformen zu unterscheiden. Während laterale Transistoren vorwiegend in der Nachrichtentechnik zum Einsatz kommen, findet sich die vertikale Bauform überwiegend in der Leistungselektronik wieder. Der Vorteil der vertikalen Struktur liegt in der höheren möglichen Sperrspannung der Bauelemente (Beispiel CoolMOS von Infineon). Der CoolMOS stellt dabei eine Weiterentwicklung des bekannten VMOS dar. Er gehört zu den Kompensations- oder Super-Junction-Bauelementen.