Wissenswertes zu Halbleitern
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Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts fanden Physiker heraus, dass es
Materialien gibt, die Strom leiten und solche, die keinen Strom
leiten. So besitzen Metalle wie Kupfer und Silber hervorragende
elektrische Leitfähigkeit und andere Materialien wie Glas und
Porzellan sind Nichtleiter oder Isolatoren. Bei weiteren
Untersuchungen stellte sich heraus, dass es daneben auch noch Stoffe
gibt, die unter bestimmten Bedingungen leitend oder auch nicht leitend
sein können. Zum Beispiel verändern solche Materialien in
Abhängigkeit der Temperatur ihre Leitfähigkeit. Die
fielen dann unter die Kategorie „Halbleiter“. 1874 bemerkte der
spätere Nobelpreisträger Ferdinand Braun, dass bei einem Metallkontakt
auf ein Stück Schwefelkies der elektrische Widerstand je nach
Stromrichtung unterschiedlich ist. Man hatte damals noch keine
richtige Erklärung dafür, nutzte aber schon bald den
Gleichrichtereffekt aus.
Bei Experimenten mit einem Germaniumplättchen, auf das zwei
Metallspitzen aufgedrückt wurden, bemerkten die amerikanischen
Physiker Bardeen, Schockley und Brattain 1947 einen Verstärkungseffekt
ihrer Anordnung. Damit war das Funktionsprinzip des bipolaren
Transistors entdeckt. Es dauerte dann noch etwas mehr als ein
Jahrzehnt, bis auf dieser Basis zuverlässig funktionierende
Bauelemente in großen Stückzahlen gefertigt werden konnten.
Ab den 1960er-Jahren lösten Halbleiter-Bauelemente die bis dahin in
der Elektronik vorwiegend verwendeten Elektronenröhren ab.
Transistoren haben im Vergleich zu diesen wesentliche Vorteile: Sie
sind kleiner, benötigen keine Heizleistung, arbeiten mit deutlich
geringeren Betriebsspannungen und sind mechanisch unempfindlich.
Außerdem gelang es in den 1970er-Jahren, auf einem
Halbleiterchip mehrere Funktionseinheiten zusammenzufassen. Die
„Integrierte Schaltung“ begann seinerzeit ihren Siegeszug. Aber hier
geht es zunächst um Halbleiter-Einzelbauelemente, die auch als
„diskrete“ Halbleiter bezeichnet werden.
Das wichtigste Halbleiter-Materialien ist heute Silizium, das
vor einigen Jahren das damals dominierende Germanium abgelöst hat. Für
bestimmte Anwendungsbereiche, z. B. Optoelektronik eignen sich
III/IV-Verbindungen wie Gallium-Arsenid. Inzwischen gibt es auch schon
Anwendungen für organische Halbleiter.
Wie funktionieren Halbleiter-Bauelemente?
Nach dem physikalischen Bändermodell handelt es sich bei der
Unterscheidung zwischen Isolator, Halbleiter und Leiter um die
verschiedenen Energieniveaus innerhalb der Atomstruktur der
verschiedenen Materialien, auf denen sich bewegliche Ladungsträger
befinden. Um es leiten zu können, müssen sie vom sogenannten
Valenzband in das sogenannte Leitungsband wechseln. Gegensatz einem
Isolator, bei denen sich eine deutliche Lücke zwischen Leitungsband
und Valenzband befindet, überschneiden sich diese Bänder bei Leitern,
z. B. Metallen. Bei Halbleitern liegen die Bänder nahe beieinander,
dass ein äußerer Einfluss, z. B. Temperaturerhöhung, Lichteinstrahlung
oder ein elektrisches Feld die freien Ladungsträger in das
Leitungsband heben kann.
Halbleitermaterial wird durch Einbringen von Fremdatomen, dem sog.
„Dotieren“, n-leitend oder p-leitend gemacht. Das heißt, dass
in den Materialstrukturen entweder ein Überschuss oder ein Mangel an
freien Ladungsträgern herrscht. Die negativen sind die freien
Elektronen; eine positive Ladung wird als „Loch“ oder
„Defektelektron“ bezeichnet.
So funktioniert eine Diode
In Durchlassrichtung gelangen die Ladungsträger an die
Sperrschicht und können sich dort „rekombinieren“, d.
h. mit einem "Loch" vereinigen. Der Strom kann fließen. Bei
umgekehrte Polung werden die Ladungsträger von der Sperrschicht
abgezogen. Es fließt kein Strom.
Bild 1a: Ladungsträger überwinden das elektrostatische Feld
(1) Anschluss, (2) n, (3) p, (4) Elektronenfluss
Bild 1b: Ladungsträger werden aus der Grenzschicht gezogen
Am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Halbleiter entsteht eine
Grenzschicht, die auch „Sperrschicht“ oder p-n-Übergang genannt
wird. Hier können sich die Ladungsträger bewegen, allerdings nur in
einem sehr kleinen Bereich, der vom elektrostatischen Feld zwischen
den beweglichen Ladungsträgern begrenzt wird. Wird an den n-dotierten
Halbleiter der Minuspol und an der p-dotierten Halbleiter der Pluspol
einer elektrischen Spannung angelegt, überwinden die Ladungsträger das
Feld, und ein Strom kann fließen (Bild 1 a). Dieser Vorgang setzt eine
Mindestspannung voraus. Die beträgt bei Silizium etwa 0,7
Volt und bei Germanium etwa 0,3 Volt. Wird die Spannung umgekehrt,
werden die Ladungsträger aus der Grenzschicht nach beiden Seiten
abgezogen (Bild 1 b). Es kann kein Strom fließen. Diese Vorgang wird
„Gleichrichtereffekt“ genannt, das technische Bauelement ist
die „Diode“.
Baut man eine Anordnung auf, die aus drei Materialschichten
unterschiedlicher Dotierung besteht, z. B. N-P-N oder P-N-P,
ergeben sich wie oben beschrieben zunächst zwei Sperrschichten, die
sich wie zwei gegeneinander geschaltete Dioden verhalten (Bild 2).
Weil immer eine davon in Sperrrichtung liegt, kann kein Strom fließen,
egal wie die Spannungsquelle gepolt ist. Wenn die mittlere
Schicht sehr dünn ist und dort eine Spannung angelegt wird,
verschieben sich die Potentiale in den Grenzschichten, und
Ladungsträger können diese überwinden, so dass ein Stromfluss möglich
wird. Diese Anordnung wurde von den Erfindern „Transistor“
genannt, ein Kunstwort, das aus „Transfer“ und „Resistor“ (Widerstand)
zusammengesetzt ist.
Bild 2: Prinzipieller Aufbau von bipolaren Transistoren: oben NPN-Typ, unten PNP-Typ.
Ein Transistor hat drei Anschlüsse: „Emitter“ E, von dem die
Ladungsträger ausgehen, „Basis“ B in der Mitte, an dem die
Steuerspannung anliegt, und „Kollektor“ C am anderen Ende, an dem die
Ladungsträger „eingesammelt“ werden. Die Schichtenfolge legt die
Stromrichtung durch das Bauelement fest: Beim NPN-Transistor
fließt dieser vom Kollektor zum Emitter und beim PNP-Transistor vom
Emitter zum Kollektor. Die technische Stromrichtung ist ja
entgegengesetzt zur Bewegung der Elektronen. Ein Elektron ist ja
bekanntlich negativ!
Weil ein sehr kleiner Strom, der in den Basisanschluss fließt, einen
wesentlich größeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter bewirkt,
hat das Bauelement einen Verstärkungseffekt. Das Verhältnis
zwischen Kollektor- und Basisstrom ist der „Verstärkungsfaktor“.
Der liegt bei den heute üblichen Transistoren zwischen einigen Hundert
und Tausend. Die Ansteuerung von bipolaren Transistoren erfolgt
mit einem Strom, der aus einer Spannungsquelle stammt. Das heißt, dass
zur Ansteuerung eine elektrische Leistung erforderlich ist.
Bild 3: Querschnitt eines Sperrschicht-Feldeffekttransistor
Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor im Querschnitt (Bild 3), mit
diesem wird der Widerstand des stromführenden Kanals von der Source
zur Drain von der Gate-Spannung gesteuert.
Außer dem bis hierhin beschriebenen bipolaren Transistor gibt es
auch noch ähnliche Bauelemente, die nach einem anderen Prinzip
arbeiten: die „Feldeffekttransistoren“ oder „FETs“. Diese bestehen aus
einem Substrat, durch das von einer „Source“ (Quelle) zu einer „Drain“
(Abfluss) elektrischer Strom fließen kann. Wenn darauf ein
elektrostatisches Feld einwirkt, wird der Weg der fließenden
Ladungsträger „verengt“ und sogar „abgeschnürt“. An einem
Anschluss befindet sich eine Elektrode, die entweder mit einer
Isolierschicht oder einer Sperrschicht vom Substrat getrennt ist Hier
liegt die Steuerspannung an. An diesem Anschluss, der „Gate“
genannt wird, liegt im Betrieb nur ein Spannungspotential. Hier fließt
aber kein Strom (Bild 3). Die Ansteuerung von Feldeffekt-Transistoren
ist daher im Gegensatz zu Bipolartransistoren leistungslos.
Sperrschicht-FETs werden auch als „J-FETs“ wie „Junction-FETs“ und die
mit isoliertem Gate werden als „MOS-FET“ oder „Metall
Oxide-Semiconductor-FET“ bezeichnet. Der Leitungskanal kann n- oder
p-dotiert („N-Chanel“ oder „P-Chanel“) sein, was die Stromrichtung
für das Bauelement vorgibt.
(1) Sperrschicht, (2) n-Kanal, (3) D, (4) G, (5) S
Welche Anwendungen für Halbleiter-Bauelemente
gibt es?
Heute wird eine unüberschaubare Vielfalt diskreter
Halbleiter-Bauelemente hergestellt. So gut wie für jeden
Anwendungsfall in der Elektronik gibt es entsprechende Typen.
Das wichtigste Merkmal, in dem diese sich unterscheiden, ist die
zulässige elektrische Leistung. Bei Dioden sind es die maximale
Sperrspannung und der zulässige Durchflussstrom. Bei Transistoren sind
es die maximale Spannung zwischen Kollektor und Emitter, der
Kollektorstrom sowie die Verlustleistung, die am Bauelemente
anfällt. Es gibt Kleinleistungs- und Leistungstransistoren. Im
Niederfrequenzbereich können damit alle Verstärker-Funktionen vom
Vorverstärker bis zur Leistungsendstufe abgedeckt werden.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die maximale
Frequenz, bis zu der ein Transistor brauchbar ist. Diese ist
abhängig vom internen Aufbau der Strukturen, die die Laufzeiten
bestimmen. Auch hier gibt es Kleinleistungs- und Leistungstypen, die
heute bis in den GHz-Bereich betrieben werden können. Hiermit wird das
Spektrum der Anwendungen von Empfängerschaltungen bis zu
Senderendstufen abgedeckt.
Merkmale:
- Speziell für elektronische Schalteranwendungen sind
„Schalttransitoren“ ausgelegt. Diese zeichnen sich in erster Linie
durch einen geringe Kollektor-Emitterspannung im eingeschalteten
Zustand aus.
- Halbleiter-Bauelemente speziell für die Leistungselektronik
sind Thyristoren und Triacs. Die funktionieren wie schnelle Schalter
und benötigen Ansteuerschaltungen, mit denen sie „gezündet“ und auch
wieder abgeschaltet werden können.
- Bei den Feldeffekt-Transistoren gibt es auch verschiedene
Ausführungen von Kleinleistungstypen bis zu Leistungs-FETs. Diese
finden vornehmlich in der Leistungselektronik, in NF-Verstärkern und
Messtechnik Verwendung.
Bei Dioden gibt es neben den für Gleichrichter konzipierten
Standardtypen auch noch spezielle Ausführungen:
-
Schottky-Dioden haben als Sperrschicht einen eine
Halbleiter-Metall-Übergang, der eine niedrigere Flussspannung als
Silizium-Dioden hat. Sie eigenen sich für verlustarme
Gleichrichter und empfindliche Detektoren.
-
Z-Dioden sind Silizium-Dioden, die in Sperrrichtung betrieben
werden und deren Durchbruchspannung bei einem definierten Wert
liegt. Sie werden zur Spannungsstabilisierung benutzt.
-
Kapazitätsdioden werden ebenfalls in Sperrrichtung betrieben. Man
nutzt den Effekt, dass die Sperrschichtkapazität mit zunehmender
Spannung abnimmt. Damit können Hochfrequenz-Schwingkreise
elektronisch abgestimmt werden.
-
Surpressordioden werden in beide Richtungen beim Überschreiten
eines Schwellwertes leitend. Sie dienen zum Schutz von
Elektronikschaltungen vor Überspannungen.
Welche Bauformen haben Halbleiter-Bauelemente?
Die Halbleiterchips werden in Gehäuse eingebaut. Ausführung und Größe
hängen von der im Bauelement umgesetzten Leistung ab. Dioden kommen in
Glas- oder Kunststoffgehäuse (Bild 4). Während früher Transistoren in
Metallgehäusen (Bilder 5 und 6) montiert wurden, dominiert Kunststoff
als Gehäusematerial. Oberflächenmontierbare Transistoren (Bild 7 )
sind nur wenige Millimeter groß. Die überwiegende Zahl der
Kleinleistungstransistoren werden heute im Kunststoffgehäuse geliefert
(Bild 8). Leistungstransistoren im Kunststoffgehäuse (Bild 9) haben
auf der Rückseite eine Metallfläche, auf der im Inneren der
Halbleiterchip montiert ist. So ist die Abführung der dort erzeugten
Verlustwärme optimal möglich.
Glasgehäuse
(4) Diode im Glasgehäuse.
Metallgehäuse
(5) Kleinleistungstransistor im Metallgehäuse TO-18.
Metallgehäuse
(6) Leistungstransistor im Metallgehäuse TO-3.
Kunststoffgehäuse
(7) Oberflächenmontierbarer Transistor im SOT-23.
Kunststoffgehäuse
(8) Kleinleistungstransistor im Gehäuse TO-92.
Kunststoffgehäuse
(9) Leistungstransistor im Kunststoffgehäuse TO-220.
Was muss man beim Einbau und Betrieb von
Halbleiter-Bauelementen beachten?
Die Materialstrukturen, aus denen Halbleiter-Bauelemente hergestellt
werden, reagieren empfindlich auf zu hohe Temperaturen. Deshalb sollte
der Lötvorgang möglichst zügig erfolgen, damit die Anschlussdrähte
nicht zu viel Wärme in das Innere der Bauelemente leiten.
Die Strukturen innerhalb der Halbleiter sind sehr klein. Deshalb
können sie schon bei relativ geringen Spannungen durchschlagen.
Insbesondere MOS-Typen sind in diesem Punkt sehr empfindlich. Der
Arbeitsplatz muss deshalb ESD-sicher sein.
Im Betrieb dürfen die in den Datenblättern angegebenen Grenzwerte
für Strom, Spannung und Leistung auf keinen Fall überschritten
werden. Leistungs-Halbleiter sind mit ausreichend großen
Kühlflächen zu versehen, die garantieren, dass die innere
Sperrschichttemperatur auch bei der maximalen Umgebungstemperatur
nicht überschritten wird. Zwischen Bauelement und Kühlfläche kommt in
den meisten Fällen eine Isolierscheibe. Wärmeleitpaste verbessert die Wärme-Leitfähigkeit.