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Ratgeber
Als Mitte des 20. Jahrhunderts die ersten kommerziellen Halbleiter-Bauelemente erschienen, lösten sie eine Revolution aus. Statt großer stromhungriger Elektronenröhren gab es nun kleine Komponenten, die selbst mit Batteriestrom vergleichbare Leistungen erbrachten und zudem erheblich robuster waren.
In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die wesentlichen Eigenschaften von Halbleitern und deren Funktion, insbesondere über die wichtigsten Vertreter, und zwar Dioden und Transistoren.
Eine elektrisch leitende Substanz wird als Leiter bezeichnet, das Gegenteil ist der Isolator. Halbleiter verfügen über Eigenschaften, die zwischen denen eines Leiters und eines Isolators liegen. Eine Diode, ein integrierter Schaltkreis und ein Transistor – sie alle bestehen aus halbleitenden Materialien.
Die Leitfähigkeit dieser Komponenten variiert je nach Stromversorgung oder je nach Intensität der Bestrahlung durch infrarotes, sichtbares und ultraviolettes Licht sowie durch Röntgenstrahlen. Neben klassischen Typen aus Silizium oder Germanium gibt es inzwischen auch organische Halbleiter auf der Basis von Kohlenstoff. Dazu gehören zum Beispiel die OLEDs, organische Leuchtdioden.
Um die Funktionsweise von Halbleitern besser zu verstehen, ist ein Blick auf Atome und die Anordnung der Elektronen hilfreich: So organisieren sich Elektronen im Inneren eines Atoms in mehreren sogenannten Schalen oder Bändern, die Energiezustände repräsentieren. Die äußerste Schale wird als Valenzschale oder Valenzband bezeichnet. Valenz lässt sich vereinfacht mit Wertigkeit übersetzen. Demgegenüber steht das Leitungsband. Damit wird das nächsthöhere Energieband definiert, das beim absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius keine Elektronen enthält.
Wenn alle benachbarten Atome vom gleichen Typ sind, können sich alle Valenzelektronen mit den Valenzelektronen anderer Atome verbinden. Dabei ordnen sich die Atome in kristallinen Strukturen an. Halbleiter bestehen aus solchen Kristallen, beispielsweise aus Siliziumkristallen. Reine Siliziumkristalle sind elektronisch allerdings nicht sonderlich nützlich. Werden jedoch kleine Mengen anderer Elemente in einen Siliziumkristall eingebracht, lässt sich eine Leitfähigkeit herstellen.
Der Prozess der absichtlichen Einführung anderer Elemente in einen Kristall wird Dotierung genannt. Das durch Dotierung eingebrachte Element ist der Dotierstoff. Durch sorgfältige Kontrolle des Dotierungsprozesses und der verwendeten Dotierstoffe können sich Siliziumkristalle in einen von zwei verschiedenen Leitern verwandeln:
N-Typ
Er entsteht, wenn der Dotierstoff fünf Elektronen in seiner Valenzschicht besitzt.
Das trifft zum Beispiel auf Phosphor zu. Die Phosphoratome fügen sich direkt in die Kristallstruktur des Siliziums ein, wobei jedes Atom mit vier benachbarten Siliziumatomen eine Bindung eingeht, genau wie bei einem Siliziumatom.
Da das Phosphoratom über fünf Elektronen in seiner Valenzschale verfügt, von denen aber nur vier an benachbarte Atome gebunden sind, bleibt das fünfte Valenzelektron frei, ohne dass es eine Bindung eingehen kann.
Die zusätzlichen Valenzelektronen in den Phosphoratomen beginnen sich wie die einzelnen Valenzelektronen in einem normalen Leiter wie Kupfer zu verhalten – sie können sich frei bewegen.
Da diese Art von Halbleiter über zusätzliche Elektronen verfügt, wird er als N-Typ-Halbleiter bezeichnet. Das N steht hier für negativ.
P-Typ
Er entsteht, wenn der Dotierstoff nur drei Elektronen in der Valenzschale besitzt, Bor zum Beispiel. Wird eine kleine Menge in den Kristall eingebracht, kann sich das Atom mit vier Siliziumatomen verbinden. Aber da der Dotierstoff nur drei Elektronen zu bieten hat, entsteht sozusagen ein Loch. Das Loch verhält sich wie eine positive Ladung, daher werden auf diese Weise dotierte Halbleiter als P-Typ-Halbleiter bezeichnet.
Wie eine positive Ladung ziehen auch Löcher Elektronen an. Wenn jedoch ein Elektron in ein Loch eindringt, hinterlässt das Elektron ein neues Loch an seiner vorherigen Position. In einem P-Typ-Halbleiter bewegen sich also ständig Löcher innerhalb des Kristalls, während die Elektronen ständig versuchen, sie aufzufüllen.
Wird eine Spannung an einen N-Typ- oder P-Typ-Halbleiter angelegt , fließt Strom aus demselben Grund wie in einem normalen Leiter: Die negative Seite der Spannung produziert Elektronen, die positive Seite zieht sie an. Dabei wird die zufällige Bewegung von Elektronen und Löchern, die in einem Halbleiter immer vorhanden ist, in eine Richtung gelenkt und messbarer elektrischer Strom erzeugt.
Dioden gehören zu den ursprünglichsten Halbleitern. Da sie Spannungen begrenzen, findet man sie oft zum Schutz von Schaltkreisen. Außerdem können sie selbst hochfrequenten Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, was Anfang des 20. Jahrhunderts unter anderem für die ersten Rundfunkempfänger genutzt wurde.
Dioden bestehen überwiegend aus den beiden Halbleitermaterialien Silizium oder Germanium. Ist die Anodenspannung positiver als die Kathodenspannung, wird die Diode als in Durchlassrichtung vorgespannt bezeichnet. Sie leitet dann mit einem relativ geringen Spannungsabfall. Umgekehrt ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt. Der Pfeil im Diodensymbol steht für die Richtung des herkömmlichen Stromflusses, wenn die Diode leitet.
1. Anschluss | 2. n-dotierte Schicht | 3. p-dotierte Schicht | 4. Elektronenfluss
1. Anschluss | 2. n-dotierte Schicht | 3. p-dotierte Schicht
Am Übergang zwischen der P- und der N-Schicht der Diode entsteht eine Grenzschicht, die auch Sperrschicht oder P-N-Übergang genannt wird. Hier können sich die Ladungsträger in einem sehr kleinen Bereich bewegen, begrenzt vom elektrostatischen Feld zwischen den beweglichen Ladungsträgern. Wird an der N-Schicht der Minuspol und an der P-Schicht der Pluspol einer elektrischen Spannung angelegt, überwinden die Ladungsträger die Sperrschicht. Strom fließt (linke Abbildung). Dieser Vorgang setzt allerdings eine Mindestspannung von etwa 0,7 Volt bei Siliziumdioden sowie etwa 0,3 Volt bei Germanium-Dioden und Schottky-Dioden voraus.
Wird die Spannung umgekehrt, werden die Ladungsträger aus der Grenzschicht nach beiden Seiten abgezogen (rechte Abbildung). Der Stromfluss wird unterbrochen. Bei Wechselspannung passieren also nur die Ladungsträger der positiven Halbwelle die Diode, die Ladungsträger der negativen Halbwelle kommen nicht nur. Die Diode ist somit ein perfekter Gleichrichter.
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das elektrischen Strom oder Spannung sowohl leiten als auch isolieren kann. Ein Transistor fungiert im Wesentlichen als Schalter und Verstärker für den Fluss elektrischer Signale.
Transistoren sind eine der wichtigsten Komponenten in den meisten modernen elektronischen Geräten. Er wurde 1947 von den drei amerikanischen Physikern John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley entwickelt und gilt als eine der wichtigsten Erfindungen in der Geschichte der Wissenschaft.
Ein typischer Transistor besteht aus drei Schichten von Halbleitermaterialien oder genauer gesagt aus Anschlüssen, die dazu dienen, eine Verbindung zu einem externen Stromkreis herzustellen und den Strom zu leiten. Eine Spannung oder ein Strom, der an ein beliebiges Paar der Anschlüsse eines Transistors angelegt wird, steuert den Strom durch das andere Paar der Anschlüsse.
Das grundlegende Funktionsprinzip eines Transistors basiert auf der Steuerung des Stromflusses durch einen Kanal, indem die Stärke eines sehr viel kleineren Stroms, der durch einen zweiten Kanal fließt, variiert wird. Je nachdem, wie sie in einer Schaltung verwendet werden, gibt es hauptsächlich zwei Arten von Transistoren:
Bipolarer Sperrschicht-Transistor oder BJT
Die drei Anschlüsse des BJT sind Basis, Emitter und Kollektor. Ein sehr kleiner Strom, der zwischen Basis und Emitter fließt, kann einen größeren Stromfluss zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss steuern.
NPN-Transistor
In diesem Transistor befindet sich ein P-Typ-Material zwischen zwei N-Typ-Materialien (obere Abbildung). NPN-Transistoren werden hauptsächlich dazu verwendet, schwache Signale zu starken Signalen zu verstärken. In einem NPN-Transistor wandern die Elektronen vom Emitter- zum Kollektorbereich, was zur Bildung von Strom im Transistor führt. Dieser Transistor wird häufig in Verstärkerschaltungen verwendet.
PNP-Transistor
Dies ist ein BJT-Typ, bei dem ein N-Typ-Material zwischen zwei P-Typ-Materialien eingefügt oder platziert wird (untere Abbildung). In einer solchen Konfiguration steuert der Transistor den Stromfluss. Ein PNP-Transistor besteht aus zwei in Reihe geschalteten Kristalldioden. Die rechte Seite und die linke Seite der Dioden werden als Kollektor-Basis-Diode beziehungsweise Emitter-Basis-Diode bezeichnet.
Aufbau eines Sperrschicht Feldeffdektransistors
1. Sperrschicht | 2. n-Kanal | 3. Drain | 4. Gate | 5. Source
Bei einem FET finden sich ebenfalls drei Anschlüsse, die Bezeichnungen lauten hier aber Gate, Source und Drain.
Die Spannung am Gate-Anschluss kann einen Strom zwischen Source und Drain steuern. Ein FET ist ein unipolarer Transistor, bei dem ein N-Kanal-FET oder ein P-Kanal-FET für die Leitung verwendet wird.
Die Hauptanwendungen von FETs sind rauscharme Verstärker, Pufferverstärker und analoge Schalter.
Daneben gibt es noch viele andere Arten von Transistoren, darunter MOSFET, JFET, Bipolartransistor mit isoliertem Gate, Dünnschichttransistor, Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit, Inverted-T-Feldeffekttransistor (ITFET), Fast-Reverse-Epitaxial-Diode-Feldeffekttransistor (FREDFET), Schottky-Transistor, Tunnel-Feldeffekttransistor, organischer Feldeffekttransistor (OFET), Diffusionstransistor.
Ausführung und Größe von Halbleiter-Bauelementen hängen von der umgesetzten Leistung ab. Dioden werden in Glas- oder Kunststoffgehäusen angeboten, Transistoren in Metall-oder Kunststoffgehäusen. Oberflächenmontierbare Transistoren sind in der Regel rechteckig und nur wenige Millimeter groß. Die überwiegende Zahl der Kleinleistungstransistoren werden heute im Kunststoffgehäuse mit Drahtanschlüssen für die Durchsteckmontage geliefert. Leistungstransistoren im Kunststoffgehäuse besitzen auf der Rückseite eine Metallfläche als Kühlelement, auf der im Inneren der Halbleiterchip montiert ist. Die Abführung der erzeugten Verlustwärme ist so optimal möglich.