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Halbleiter

Wissenswertes zu Halbleitern

Was sind Halbleiter?

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.

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