Transistor


È Uuswaal a diskretè Transischtòrè in voschidnè Gehäuseformè

Èn Transischtor isch è elegtronischs Bauelemènt zum Schaaltè un Voschtärkè vo elegtrischè Signaal, ohni deby mechanischi Bewegigè uuszfüürè. Transischtorè sin wituus wichtigschtè „aktivè“ Beschtanddeil vo elegtronischè Schaltigè, welli byschpillswys i dè Nõchrichtètechnig, dè Leischtigselegtronik un in Computersischteem ygsetzt wörred. Bsunderi Bedütig hèn Transischtorè in integryrtè Schaltchreis, wa diè zur Zit wit vobreiteti Mikroelegtronik ermöglichè duèt.

Dè Begriff „Transischtor“ isch è Kurzform vum änglischè transfer resistor[1], wa i dè Fungtion èm durch è aaglaiti elegtrischi Schpannig odder èm elegtrischè Stròm stüerbarè elegtrischè Widderschtand entschprechè duèt. Well d Wûrkigswys von èrè entsprèchendè Elegtronèröörè, nämlich dè Triodè, ähnlich isch, wörd dè Transischtor au als „Halbleitertriodè“ bezeichnet.

Gschichtè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Nõchbau vom èrschtè Transischtòr vo Shockley, Bardeen un Brattain annè 1947/48 im Nixdorf-Museum
Germanium-Chlyleischtungstransischtòr im Glaasghüüs R-9 uss dè 1960er Johr. (Lackyrig deilwys entfèrnt)
Naauffnaam von èm Germaniumtransischtòr uss dè 1960er Johr mit èrè zentraalè Germaniumschybè un i dè Mitti d „Indiumpillè“ als Kontagt

Diè èrschtè Padent zum Brinzyp vom Transischtòr sin vom Julius Edgar Lilienfeld im Johr 1925 aagmeldèt worrè.[2] Lilièfäld beschrybt in sinerè Arbèt è elegtronischs Bauelemänt, wo Eigèschaftè von èrè Elegtronèröörè uffwyst un im witeschtè Sinn mit dè hüt als Fäldeffèkttransischtòr benamstè Bauelemänt voglychbar isch. Zu sellerè Zit isch es technisch nõ nit möglich gsi, Feldeffèkttransischtòrè pragtisch z realisyrè.[3]

Im Johr 1934 hèt dè dütsch Phûsiker Oskar Heil dè èrschte Feldeffèkttransischtòr konschtruyrt un patentyrt, bi dèmm s sich um èn Halbleiter-FET mit isolyrtem Gate ghandlet hèt.[4] Diè èrschtè pragtisch realisyrtè JFET mit eim p-n-Übbergang (bosityv-negatyv) un èm sognanntè Gate als Stüèrelegtrodè gônn uff Herbert F. Mataré, Heinrich Welker un barallel dezuè William B. Shockley un Walter H. Brattain uss èm Johr 1945 zrugg.[5] Dè Feldeffèkttransischtòr isch vor èm Bipolaartransischtòr realisyrt worrè. Dõmolls sin selli Bauelemänt no nit als Transischtòr bezeichnet worrè; dè Begriff „Transischtòr“ isch 1948 vom John R. Pierce bräägt worrè.[6]

Ab 1942 hèt dè Herbert Mataré bi Telefunkè mit dè vo ym so gnanntè Duodiodè (Doppelspitzdiodè) im Raamè vo dè Entwicklig von èm Detektor für è Doppler-Funkmess-Sischteem (RADAR) experimentyrt. Diè vo ym dezuè uffbautè Duodiodè sin Punktkontagt-Diodè uff Halbleiterbasis mit zwei zimli nòch binenand stehendè Medallkontägt uff èm Halbleitersubschtraat. Mataré hèt dõby mit polikrischtallinem Silizium (kurz: Polysilizium) experimentyrt, wo nèr vom Karl Seiler uss èm Telefunkè-Labor z Breslau bezogè hèt, un mit Germanium, wo nèr von èm Forschungsteam vo dè Luftwaffè bi München (i demm au dè Heinrich Welker mitgwûrkt hèt) erhaaltè hèt. Dòby hèt er bi dè Experimènt mit Germanium Effèkt entdeckt, wo sich nit durch d Vorschtellig vo zwei unabhängig von ènand schaffendè Diodè erklärè hèn lõ: D Spannig a dè eintè Diodè hèt dè Strom durch diè ander Diodè beyflusst. Selli Beobachtig hèt d Grundidee für diè spôter folgendè Spitzètransischtòrè bildet.

Dè èrscht funktionyrende Bipolartransischtòr isch in Form von èm Spitzètransischtòr bi dè Bell Laboratories entwicklet worrè un am 23. Dezembèr 1947 bi nèrè internè Demonschtration èrschtmolls bräsentyrt worrè.[7][8][9] Zu dè glychè Zit hèn diè dütschè Forscher Mataré un Welker dè èrschte funktionsfähige „französische Transischtòr“ i dè chlynè, nit mit Westinghouse Electric vobundenè Firma Compagnie des Freins & Signaux Westinghouse z Aulnay-sous-Bois bi Paris entwicklet un hèn dõfür am 13. Auguscht 1948 è Batentaameldig iigreicht.[10][11][12] Am 18. Mai 1949 isch selli europäischi Erfindig als „Transischtron“ dè Öffentlichkeit bräsentyrt worrè[13].

Uss Unterlagè gòt hervor, dass Shockley un Pearson funktionyrendi Transischtorè baut hèn, wo uff dè Patent vo Lilienfeld un Heil basyrt hèn. Sie unterlôn s, selli grundlegendè Lilièfäld-Patent in irè Veröffentlichungè, spôterè Forschungsbericht odder historischè Bericht z erwäänè.[14][15] Die W. Shockley, wo a dè Erfindig vom Bipolartransischtòr beteiligt gsi isch, J. Bardeen un W. Brattain hèn dõfür 1956 dè Nobelprys für Phûsik. Èn wichtigè Fortschritt isch bi dè Bell Labs durch d Hèrschtellig vo Bipolartransischtôrè uss eim Krischtall (Flächètransischtòrè durch Gordon Teal, Morgan Sparks un Shockley) glungè, wo diè bis dõhy vowendetè Spitzètransischtòrè, wo 1951 vorgschtellt worrè sin.[16]

I dè 1950er-Johr hèt s èn Wettlauf zwischè dè Elegtronèröörè un dè dõmolls üblichè Bipolartransischtòrè gää, in dem sim Volauf d Chancè vom Bipolartransischtòr wegè dè voglychswys nydrigè Transitfrequènzè hüüfig eher skeptisch beurteilt worrè sin. Transischtòrè hèn Elegtronèröörè als Signalvoschtärker mittlerwyl uff fascht allè technischè Gebièt abglöst. Deilwys sin Röörè nõ i dè Sendetechnig im Rundfunk un bi mengè speziellè Gitarrè- un Audiovoschträrker vowendet worrè.

Feldeffèkttransischtòrè hèn im Gegèsatz zu dè èrschtè Bipolartransischtòrè i dè 1950er bis i diè spòtè 1960er Johr no kaum è Rollè gschpillt. Sy lôn sich mit dè dõmõligè Kenntniss nit wûrtschaftlich fertigè un sin wegè dè Durchschlagsgfõõr vum Gate durch unbeabsichtigti elegtrostatischi Entladig umschtändlich z handhabè. Für d Lösig vo dè Brobleem, wo bi bipolarè Transischtòrè ufftrettè könnè, z. B. Leischtungsbedarf un Aaforderigè für integryrti Schaltigè hèt mo sich ab öppè 1955 ygehender mit dè Halbleiterobberflächè beschäftigt un Fertigungsvofaarè wiè d Planartechnig entwicklet, diè d Feldeffèkttransischtòrè im Folgejohrzehnt zu dè Serièryfe brocht hèn.

Diè èrschtè handelsüblichè Bipolartransischtorè sin uss èm Halbleitermatriaal Germanium hèrgschtellt worrè un ähnlich wiè Elegtronèröörè in winzigi Glasröörli ygschmolzè worrè. Diè voschidè dotyrtè Zonè hèt mo durch è zentrals Germaniumblättlè erreicht, i welles vo beidè Sitè „Indiumpillè“ aalegyrt worrè sin,[17][18][19] so dass diè letschtè düèf i s Grundmatriaal ydrungè sin, i dè Mitti abber è Basisschtreggi i dè gwünschtè Dicki freiblibbè isch. 1954 sin Bipolartransischtòrè uss Silizium gmacht worrè (Gordon Teal bi Texas Instruments un Max Dannèbaum a dè Bell Labs). Sit dè spòtè 1960er Johr kömmed meischtens Medall- odder Kunschtoffghüüs zur Aawendig. Ysatzberych sin znägscht i dè analogè Schaltigstechnig glägè wiè byschpillswys dè dõmols uffkommende Transischtorradio. S Basismatriaal Germanium isch i dè Folg voschtärkt durch s technisch vorteilhaftere Silizium ersetzt worrè, wo èn größerè Arbeitstemperadurberych bi wesèntlich gringerè Reschtschtrööm abdeckt hèt un durch d Siliziumdioxid-Bassivyrig langzitschtabiler i dè elegtrischè Kennwärt gegèübber Germanium isch.

Dè èrscht uff Galliumarsenid basyrende Feldeffèkttransischtòr (MESFET) isch 1966 vom Carver Mead entwicklet worrè.[20] Dünnschichtransischtòrè (ängl. thin film transistor, abkürzt TFT) sin schu 1962 vom P. Weimer entwicklet worrè, selli hèt mo abber èrscht rund 30 Johr spôter im Berych vo hüt üblichè farbigè TFT-Displays ygsetzt.[21]

Wem mo alli Transischtòrè in sämtlichè bis jetzt hèrgschtelltè Schaltchreis wiè Arbètsspycher, Prozessorè usw., zämmèzellt, isch dè Transischtòr inzwischè sebbi technischi Fungtionseinheit, wo vo dè Menschheit i dè högschstè Gsamtstuggzaal broduzyrt worrè isch un wörd. Moderni Integryrti Schaltigè, wiè diè i dè Personal Computer ygsetztè Mikroprozessorè, bschtôn uss Millionè bis Milliardè Transischtòrè.

Tûpè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Es git zwei wichtigi Gruppè vo Transischtòrè, nämlich Bipolartransischtòrè un Feldeffèkttransischtòrè (FET), welli sich durch d Art vo dè Aaschtûèrig vonènand unterscheidè düèn. È Lischtè mit èrè grobè Yornig bzw. Gruppyrig vo dè Transischtòrè sowiè witerè Transischtòrvariantè findet mò unter Lischtè vo elegtrischè Bauelemènt.

Bipolartransischtòr

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Schaltsûmbòl vom Bipolartransischtòr
npn pnp
Schema von èm npn-Transischtòr, wo im Voschtärkigsberych betribbè wörd. Im Halbleiterkrischtall wörd elegtrischè Stròm durch Löcher un Elegtronè übberdrait.

Bi bipolarè Transischtòrè dräget sowoll diè bewegliche negativè Ladigsdräger, d Elegtronè, als au bositivi Ladigsdräger, sognannti Defèktelegtronè, zu dè Fungtion bzw. zum Ladigstransport by. Defektelegtronè, au als Löcher bezeichnet, sin unbesetzti Zuèschtänd im Valenzband, welli sich durch Generation un Rekombination vo Elegtronè im Krischtall bewegèd. Zu dè bipolarè Transischtòrè ghöred unter anderem dè IGBT un dè HJBT. Dè wichtigschte Votrètter isch abber dè Bipolartransischtòr (ängl.: bipolar junction transistor, BJT)

Dè Bipolartransischtòr wörd durch èn elegtrischè Stròm aagschtüèret. D Aaschlüss wörred mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet (im Schaltbild abkürzt durch d Buèchschtabè B, E, C). Èn chlynè Stüèrschtròm uff dè Basis-Emitter-Streggi füürt zu Voänderigè vo dè Raumladigszonè im Innerè vom Bipolartransischtòr un ka dõdurch èn großè Stròm uff d Kollektor-Emitter-Streggi stüèrè. Je nõch Dotyrigssequènz im Uffbau unterscheidet mò zwischè npn- (negativ-bositiv-negativ) un pnp-Transischtòrè (bositiv-negativ-bositiv). Dotyrig bedütet in sellem Zämmèhang s Ybringè vo Fremdatòm bim Hèrschtelligsbrozèss in èrè Schicht vo hochreinem Halbleitermatriaal, um d Krischtallstruktur z voänderè. Bipolartransischtòrè sin grundsätzlich immer selbstschpèrrend: Ohni Aaschtüèrig mittels èm chlynè Stròm durch d Basis-Emitter-Streggi spèrrt dè Transischtòr uff dè Kollektor-Emitter-Streggi.

Im Schaltsûmbòl isch dè Aaschluss Emitter (E) in beidè Fäll mit èm chlynè Pfyl vosää: Bi nèm npn-Transischtòr zeigt sellè vom Bauelemènt wäg, bim pnp-Transischtòr wyst er zum Bauelemènt hy.[22] Dè Pfyl beschrybt d elegtrischi Stròmrichitg (Bewegig vo imaginärè bositivè Ladigsdräger) am Emitter. In früènèrè Johr isch in Schaltblään bi de dõmolls oft ygsetztè diskreetè Transischtòrè zu dè Kennzeichnig vom Transischtòrghüüs èn Chreis um s jewylige Sûmbòl zeichnèt worrè. D Chreissûmbòl sin durch dè hütig vorhèrrschende Ysatz vo integryrtè Schaltigè unüblich worrè.

D Voknüpfig vo zwei Bipolartransischtòrè mit Vor- un Hauptvoschtärkig zuè-n-èrè Einheit wörd als Darlington-Transischtòr odder als Darlington-Schaltig bezeichnèt. Durch selli Voschaltig ka è dütlich höcheri Stròmvoschtärkig erreicht wörrè als mit èm einzelnè Transischtòr. Witeri Details zu dè Bsunderheitè un Aaschtüèrigè findet sich im eignè Artikel übber Bipolartransischtòrè un i dè mathematischè Beschrybig vom Bipolartransischtòr. Eifachi Schaltigbyschpill findet sich im Artikèl übber Transischtòrgrundschaltigè un bi dè Ersatzschaltigè vom Bipolartransischtòr.

Feldeffèkttransischtòr

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Feldeffèkttransischtòr!, abkürzt FET, odder au als unipolari Transischtòrè benamst, wörred durch è Spannig gschtüèret. Bsunders für FETs isch èn zimli hochè Ygangswidderschtand im statischè Betrièb un diè dõrum fascht leischtungslosi Aaschtüèrig tûpisch.

Diè 3 Aaschlüss wörred als Gate (als. Dor, Dürrè), wo dè Stüèraaschluss isch, Drain (dt. Sènki, Abfluss) un Source (als. Quällè, Zuèfluss) benamst. Bi MOSFETs (Medalloxydschicht) chunnt nò èn witerè Aaschluss, s sognannti Bulk odder Body (als. Subschtrat) dezuè, wa meischtens mit èm Source-Aaschluss vobundè wörd. Dè Widderschtand un somit dè Stròm vo dè Drain-Source-Streggi wörd durch d Spannig zwischè Gate un Source un s dõdurch entschtehendi elektrische Fäld gschtüèret. D Stüèrig isch im statischè Fall fascht stromlos. Dè gschtüèrte Strom im Drain-Source-Kanaal ka, im Gegèsatz zum Kollektorschtròm vo Bipolartransischtòrè, in beidi Richtigè flüèßè.

D Klassè vo dè Feldeffekttransischtòrè unterdeilt sich in Sperrschicht-FETs (JFETs) un in diè FETs, wo mit èm durch èn Isolator drènntè Gate (MISFET, MOSFET) vosää sin. Unterschiddè wörd bi Feldeffèkttransischtòrè drübber usè je nÕch Dotyrig vom Halbleiter zwischè n- und p-FETs, wo sich bi dè MOSFETs witer in selbschtleitendi un selbschtsperrendi Tûpè uffdeiled.

Bi dè Unipolartransischtòrè ist immer nur ein Ladigsdrägerart, negatyv geladeni Elegtronè odder bositiv gladeni Defektelegtronè, am Ladungsdrägertransport durch dè Transischtòr bedeiliget.

Spèrrschicht-Feldeffèkttransischtòrè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Schaltsûmbòl vo JFETs
n-Kanaal p-Kanaal


Bi Spèrrschicht-FETs (ängl. junction FET, JFET) wörd diè elegtrisch isolyrendi Schicht zum Gate durch è Diodè, wo in Spèrrrichtig betribbè wörd, un sellèrè iri unterschydlich großè Raumladigsnzonè bildet. Spèrrschicht-FETs sin immer sälbschtleitendi Transischtòrè: ohni Spannig am Gate sin si zwischè Source un Drain leitend. Durch s Aalegè von èrè 'Gate-Spannig mit geigneter Polarität wörd d Leitfähigkeit zwischè Source un Drain reduzyrt.

Au JFETs git s in zwei Artè: n-Kanaal un p-Kanaal. Im Schaltsûmbòl wörd bi nèm n-Kanal dè Pfyl zum Transischtòr hy zeichnèt un uff èm Gate-Aaschluss yzeichnèt, wiè in nebbèstehender Abbildig dargschtellt. Bim p-Kanaal-Tûp isch d Pfylrichtig umkeert. Spèrrschicht-FETs findet wegè dè komplizyrtè Aaschtüèrig nu in spezièllè Aawendigè, wiè byschpillswys Mikrofonvoschtärker, Aawendig.

Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffèkttransischtòr

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Schaltsûmbòl vo MOSFET
Prinzipièllè Uffbau von èm n-Kanaal MOSFET im Querschnitt.


Dè Übberbegriff MISFET leitet sich vo dè änglischè Bezeichnig metal insulator semiconductor field-effect transistor (Medall-Isolator-Halbleiter-Feldeffèkttransischtòr) ab. Si stelled diè ander großi Gruppè, mit dè Feldeffèkttransischtòrè mit eim durch èn Isolator drenntè Gate (engl.: isolated gate field-effect transistor, IGFET). Uss historischè Gründ wörd statt MISFET odder IGFET meischtens d Bezeichnig MOSFET sûnonûm vowendet. MOSFET stônn für änglisch metal oxide semiconductor field-effect transistor (Medall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffèkttransischtòr) un gòòt uff d Urschprüng vo dè Halbleitertechnig zrugg; dõmolls isch als Gate-Matriaal Alu un als Isolator Siliziumdioxyd vowendet worrè.

Wi dè Nammè schu aadütet, isch èn MOSFET im wesèntlichè durch dè Uffbau vo dè Gate-Schichtbyyg definyrt. Dõby isch è „metallischs“ Gate durch èn Oxyd (Isolator) vom stròmfüürendè Kanaal (Halbleiter) zwischè Source un Drain elegtrisch isolyrt. Mit Technologieschtand im Johr 2008 wörd vorneemlich hochdotyrts Polysilizium als Gate-Matriaal ygesetzt, womit d Bezeichnig MISFET bzw. MOSFET nimmi korrèkt isch. In Vobindig mit èm Subschtraatmatriaal Silizium biètet sich Siliziumdioxid als Isolationsmatriaal aa, well s sich technologisch eifach i dè Hèrschtelligsbrozèss integryrè lòt un guèti elegtrischi Eigèschaftè uffwyst. Uusnaam stellt diè sognannti High-k+Metal-Gate-Technig dar, bi derrè è metallischs Gate in Vobindig mit High-k-Matriaaliè uss Metalloxyd ygsetzt wörd.

Èin Vorteil vo dè MOSFET-Technig isch, dass durch dè Ysatz von èm Isolator im Betrièb kei Raumladigszonè als Drènnschicht, wiè bim Spèrrschicht-FET mit entsprèchender Aaschtüèrigspolarität, bildet wörrè muè. Dè Gate-Aaschluss ka somit in bschtimmtè Berych mit sowoll positivè als au negativè Spannigè gegè dè Source-Aaschluss beuffschlagt wörrè.

Je nõch Dotyrig vom Grundmatriaal lôn sich sowoll n- un p-Kanaal-MOSFETs hèrschtellè. Selli lôn sich au in Form vo sèlbschtleitendè odder sèlbschtschpèrrèndè Tûpè im Raamè vo dè Hèrschtelligsbrozèss konfiguryrè. D Schaltsûmbòl umfassed dõmit vir möglichi Variationè wiè i dè nebbèschtehendè Abbildig dargschtellt. Dõby isch z erkennè, dass diè sèlbschtleitendè MOSFETs, au als Voarmigstûp benamst, è durchzogèni Linniè zwischè dè Aaschlüss Drain un Source uffwysè. Selli Linniè isch bi dè sèlbschtspèrrèndè Tûpè, au als Aareicherigstûp benamst, unterbrochè. Dè Pfyl wörd bi sellè Transischtòrè am Bulk-Aaschluss yzeichnèt un bi eim n-Kanaal-Tûp zum Transischtòrsûmbòl orientyrt, bi eim p-Kanaal vom Transischtòr èwäg zeichnèt. Dè Bulk-Aaschluss isch oft fescht mit èm Source-Aaschluss diräkt am Halbleiter vobundè.

Wegè dè größerè Vylfalt un dè lychterè elegtrischè Stüèrbarkeit sin MOSFETs diè hüt mit großem Abschtand am meischtè broduzyrtè Transischtòrè. Möglich isch sell vor allem durch diè sognanntè CMOS-Technology, bi derrè n- un p-MOSFETs kombinyrt wörrè. Dè Ysatz vo sellerè Technology erlaubt èrscht d Realisyrig vo hochkomplèxè, integryrtè Schaltigè mit èrè dütlich reduzyrtè Leischtungsuffnaam, wo mit anderè Transischtòrtûpè nit möglich gsi wär.

Spezièlli Transischtòrtûpè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Naauffnaam von èm Fototransischtòr (chlynes quadratischs Blättlè i dè Bildmitte)

Nebbè dè Transischtòrgrundtûpè git s einigi witeri Variantè für spezièlli Aawendigsberych wiè dè Bipolàrtransischtòr mit èrè isolyrtè Gateelegtrodè, abkürzt IGBT. Selli Transischtòrè findet sit Èndi vo dè 1990er Johr vor allem i dè Leischtungselegtronik Aawendig un bildet è Kombination uss MOS- un Bipolartechnology in eim gmeinsamè Ghüüs. Well selli Leischtungstransischtòrè Sperrschpannigè bis zu 6 kV uffwysèd un Strôm bis zu 3 kA schaaltè könned, ersetzed si i dè Leischtungselegtronik zuènèmmend Thûrischtòrè.

Fototransischtòrè sin optisch empfindlichi bipolari Transischtorè, wiè si unter anderem i dè Optokoppler Vowendig findè. D Stüèrig vo sellè Transischtòrè erfolgt nit durch èn chlynè Basis-Emitter-Stròm – mitunter wörd dè Basisaaschluss au wègglõ –, sondern uusschlièßlich durch dè Yfall vo Licht (byschpillswys aagewendet in Lichtschrankè). Licht hèt i dè Raumladigszonè vom p-n-Übbergang bim Bipolartransischtòr è äänlichi Wûrkig wiè dè Basisstròm, wo normalerwys a dè Basis(B), uff ängl. Gate(G), gschaaltet wörd. Deswegè sötted hèrkömmlichi Transischtòrè, bi wellè sellè Effèkt unerwünscht isch, in èm lichtundurchlässigè Ghüüs unterbrocht wörrè.

Èn hüt kaum no vowendetè Transischtòr isch dè Unijunctiontransischtòr, abkürzt UJT. Er äänlet in sinèrè Fungtion ehnder Thùrischtòrè bzw. dè Diacs, wörd historisch abber zu dè Transischtòrè zellt. Sini Fungtion, byschpillswys bi Sägezaageneratorè, wörd hüt großdeils durch integryrti Schaltigè realisyrt.

In mengè Flüssigkrischtallbildschirm, bi dè meischtens farbfähigè TFT-Displays, kömmed pro Pixèl im aktivè Bildberych bis zu drei Dünnschichttransischtòrè (ängl. thin film transistor, TFT) zur Aawendig. Selli Feldeffèkttransischtòrè sin praktisch durchsichtig. Si wörred für d Aaschtüèrig vo einzelnè Pixèl vowendet un ermöglichè im Voglych zu dè transischtòrlosè, farbfähigè LC-Displays èn höcherè Kontrascht. Je nõch Größi vom TFT-Display könned pro Bildschirm bis zu einigè Millionè Dünnfilmtransischtòrè ygsetzt wörrè.

In elegtrisch programmyrbarè Feschtwèrtschpycher wiè EPROMs un EEPROMs finded spezièlli MOSFET mit èm sognanntè Floating Gate als primärs Spycherelemänt Aawendig. Durch diè im Floating Gate gschpycherti elegtrischi Ladig isch dè Transischtòr permanent y- bzw. uusgschaltè un ka dè Informationsghalt vo eim Bit spycherè. S Beschrybè, un bi einigè Tûpè au s Löschè, wörd mittels quantèmechanischem Dunneleffèkt ermöglicht.

In integryrtè Schaltigè wörred witeri spezièlli Formè wiè dè Multiemitter-Transischtòr ygsetzt, wellè bi Logikgatter i dè Transischtòr-Transischtòr-Logik diè eigèntlichi logischi Voknüpfig vo dè Ygangssignàl durrèfüürt.

Bauformè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Im Lauf vo dè Gschicht vo dè Mikroelegtronik sin èn Huufè vo Transischtòrbauformè entwicklet worrè, diè sich vo allem i dè Hèrschtellig vo pn-Übbergäng un dè Aaorning vo dè dotyrtè Berych unterscheidè duèn. Dè èrschti praktisch realisyrte Transischtòr isch 1947 dè Spitzètransischtòr gsi. Dõdruff hy sin zaalrychi Vosuèch gfolgt, d Hèrschtellig eifacher un somit au günschtiger z machè. Wichtigi Bauformè vo bipolarè Transischtòrè sin: dè Transischtòrè mit gwachsenèm pn-Übbergang (ängl. grown junction transistor), dè Legyrigstransischtòr, dè Drifttransischtòr, dè Diffusionstransischtòr, dè diffundyrt-legyrti Mesatransischtòr, dè Epitaxialtransischtòr un dè Overlay-Transischtòr. Diè wool wichtigschte Bauform isch abber dè 1960 vom Jean Hoerni entwicklete Planartransischtòr, dè sowoll è baralleli Massèfèrtigung uff eim Subschtràt als au wûrksamè Schutz vor sensiblè pn-Übbergang wôrend un nõch dè Fèrtigung erlaubt hèt.

Diè èrscht spôter praktisch realisyrtè Feldeffèktransischtôrè könned in ähnlich villè Bauformè realisyrt wörrè. Diè wichtigschtè Formè sin dè blanaare MOS-FET, dè Epitaxy-Blanaar-Transischtòr, dè Nanodròòttransischtòr sowiè dè FinFET, luèg au Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffèkttransischtòr.

Isch es i dè Aafangsphasè vo dè Mikroelegtronik no dõrum, übberhaupt funktionsfähigi Transischtòrè mit guètè elegtrischè Eigèschaftè hèrzschtellè, so wörred spôteschtens sit dè 1990er Johr zuènèmmend Bauformè für spezielli Aawendigè un Aaforderigè entwicklèt, byschpillswys Hochfrequènz-, Leischtigs- un Hochschpannigstransischtòrè. Selli Unterdeilig gildet sowoll für Bipolar- als au für Feldeffèkttransischtòrè. Für einigi Aawendigè wörred au spezièlli Transischtòrtûpè entwicklet, diè tûpischi Eigèschaftè vo beidè Haupttûpè voeint, z. B. dè Bipolartransischtòrè mit isolyrter Gate-Elegtrodè (IGBT).

Wärchschtoff

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Nõchuffnaam von èm Halbleiterblättle (ängl. die) mit èm Bipolartransischtòr vo obbè mit dè Aaschlussdrôôt

Bipolari Transischtòrè sin i dè Aafangszit uss èm Halbleiter Germanium gfertigèt worrè, wôrend hüt übberwigend dè Halbleiter Silizium sowoll bi Feldeffèkttransischtòrè als au Bipolartransischtòrè vowendet wörrè. Dè schrittwys Ersatz vo Germanium durch Silizium im Lauf vo dè 1960er un 1970er Johr isch unter anderem uss folgendè Gründ bassyrt (vgl. Thermischi Oxidation vo Silizium):[23]

  1. Silizium hèt è stabiles, nitleitendes Oxyd (Siliziumdioxyd), anderscht wiè s Germaniumoxyd, wo wasserlöslich isch, wa unter anderem s Suubermachè komplizyrter gmacht hèt.
    • Siliziumdioxyd eignet sich für d Obberflächèpassivyrung vom Halbleiter, wodurrè d Umgebig (Voschmutzigè, Obberflächèladungè usw.) diè elegtrischè Eigèschaftè vo dè Bauelemènt dütlich wenniger beyflusst hèt un somit reproduzyrbarer worrè isch.
    • Mit dè thermischè Oxidation vo Silizium exischtyrt èn eifachè Herschtelligsbrozèss vo Siliziumdioxid uff einkrischtallinem Silizium. Diè dõby entschtehendi Silizium-Siliziumdioxyd-Gränzflächi zeigt è geringi Aazaal a Gränzflächèladigè, wa unter anderem diè praktischi Umsetzig vo Feldeffèkttransischtòrè mit isolyrtem Gate ermöglicht hèt.
  2. Silizium isch genauso wiè Germanium è Elemènthalbleiter. Bi Silizium isch d Gwinnig un Hantyrè eifacher als bi Germanium.

Für Spezialaawendigè wörred witeri Matrialiè ygsetzt. So hèn è baar Vobindigshalbleiter wiè s giftige Galliumarsenid besseri Eigèschaftè für hochfrequènti Aawendigè, sin abber düèrer z fèrtigè un bruuched anderi Fertigungsyrichtungè. Um selli praktischè Nõchdeil vo Galliumarsenid z umgõõ, exischtyred voschideni Halbleiterkombinationè wiè Siliziumgermanium, wo für höcheri Frequènzè bruuchbõr sin. Für Hochtemperaduraawendigè chömmed spezielli Halbleitermatrialiè wiè Siliziumkarbid (SiC) für d Hèrschtellig vo Transischtòrè zur Aawendig. Selli Transischtòrè chönned byschpillswys diräkt an èm Vobrennigsmotòr bi Temperadùrè bis zu 600 °C ygesetzt wörrè.[24][25] Bi siliziumbasyrendè Halbleiter lyt diè maximaal Betrièbstemperadur im Berych vo 150 °C.

Aawendigsberych

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Transischtòrè wörred hützudaag in fascht allenè elegtronischè Schaltigè vowendet. Dè Ysatz als einzelnes (diskreets) Bauelemènt spillt dõby è nebbèsächlichi Rollè. Sogar i dè Leischtigselegtronik wörred zuènemend meereri Transischtòrè uff eim Subschtraat gfertigèt, sell bassyrt hauptsächlich uss Koschtègründ.

È älteri Tûpisyrig vo Transischtorè erfolgt nõch dè Ysatzgebièt:

  • Chlynsignaltransischtòrè – eifachi, unküèlti Transischtòrè für analogi NF-Technig für Leischtigè bis ca. 1 W
  • Leischtigstransischtòrè – robuschti, küèlbari Transischtorè für Leischtigè obberhalb 1 W
  • Hochfrequènztransischtòrè – Transischtòrè für Frequènè obberhalb 100 kHz, bi Frequènzè jensits vo dè 100 MHz wörd au d üßeri Gschtaltig byschpillswys in Streifèleitertechnig uusgfüürt
  • Schalttransischtòrè – Transischtòrè mit günschtigem Vohältnis vo Durchlass- zu Spèrrschtròm, bi dennè d Kennlinniè nit bsunders linear z sy bruucht, in Variantè für chlyni un für großi Leischtigè

Hüt differenzyrt mò no mee nõch èm Aawendigsgebièt. D Maßschtääb hèn sich ebbèfalls voschobè, d Gränz vo 100 kHz für HF-Transischtorè würd hüt ca. um dè Faktor 1000 höcher aagsetzt wörrè.

Digitali Schaltigstechnig

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Uusgehend vo dè Zaal vo dè gfertigtè Bauelemènt isch s Hauptaawendigsgebièt vo Transischtorè i dè Digitaltechnig dè Ysatz in integryrtè Schaltigè, wiè byschpillswys RAM-Spycher, Flash-Spycher, Mikrocontroller, Mikroprozessorè un Logikgatter. Dõby befindet sich bi hochintegryrtè Schaltigè übber 1 Milliardè Transischtòrè uff èm Subschtraat, welles meischtens uss Silizium bschtòt un è Flächi von einigè Quadratmillimetèr uffwyst. Diè im Johr 2009 nõ exponentièll wachsendi Steigerigsrõtè bi dè Bauelemènteaazaal pro integryrtem Schaltchreis wörd au als Moorsches Gsetz benamst. Jedi vo sellènè Transischtòrè wörd dõby als è Art elegtronischer Schalter ygsetzt, um èn Deilschtròm i dè Schaltig y- odder uuszschaaltè. Mit sellèrè immer höcherè Transischtòrzaal pro Chip wörd sellèm sini Spycherkapazidät odder sin Funktionsumfang größer, idèm bi modernè Mikroprozessorè byschpillswys immer mee Aktividätè in mengènè Prozessorkärn barallel abgarbeitet wörrè könnè. Sell alles steigerèt in èrschter Linniè d Arbètsgschwindigkeit; well diè einzelnè Transischtòrè innerhalb vom Chips deby abber au immer chlyner worrè sin, sinkt au dè jewylige Energyvobruuch, so dass d Chips insgsamt au immer energyschparender (bezogè uff d Arbètsleischtig) wörred.

D Größi vo dè Transischtòrè (Gate-Längi) bi hochintegryrtè Chips bedrait im Johr 2009 oft nu no wenigi Nanometèr. So bedrait byschpillswys d Gate-Längi vo Prozessorè, wo i dè sognanntè 45-nm-Technig gfertigèt worrè sin, nu öppè 21 nm; D 45 nm bi dè 45-nm-Technig bezièned sich uff d Größi vo dè chlynschtè lithographisch fèrtigbarè Struktùr, diè sognannti feature size, wa i dè Regèl dè unterschte Metallkontagt mit èm Drain-Source-Gebièt isch. Diè führendè Halbleiterunternämmè trybed selli Vochlynerig au no i dè nägschstè Johr voraa, so hèt Intel im Dezembèr 2009 diè neu 32-nm-Testchips vorgschtellt, diè Aafang 2010 in Seriè gangè sin.[26] Au AMD/Globalfoundries hèt im Johr 2010 d Serièbroduktion in 28-nm- un 32-nm-Technik aagfangè[27], d 20-nm-Technology wörd vo AMD im Johr 2015 aapeilt[28]. Intel isch no ambitionyrter un erhofft sich durch neui Technologiè è Reduzyrig vo dè Größi bis uff 11 nm bis zum Johr 2015.[26] I dè nõchfolgendè Tabellè isch byschpillhaft d Aazaal vo dè uff einigè Mikroprozessorè ygsetztè Transischtòrè aagää:

Prozessortûp Aazaal vo dè Transischtòrè Technologyknotè Entwickligsjohr
Intel 4004 000000000002300.00000000002.300 000000000010000.000000000010.000 nm 1971
Intel Pentium (P5) 000000003100000.00000000003.100.000 000000000000800.0000000000800 nm 1993
Intel Core 2 (Yorkfield) pro Die 000000410000000.0000000000410.000.000 000000000000045.000000000045 nm 2007
Intel Itanium 2 Tukwila 000002046000000.00000000002.046.000.000 000000000000065.000000000065 nm 2010
AMD Tahiti XT[29] 000004312711873.00000000004.312.711.873 000000000000028.000000000028 nm 2011
Nvidia Kepler GK110[30] 000007100000000.00000000007.100.000.000 000000000000028.000000000028 nm 2012

Analogi Schaltigstechnig

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

I dè analogè Schaltigstechnig findet sowoll Bipolartransischtorè als au Feldeffèkttransischtorè in Schaltigè wiè m Operationsvoschtärker, Signalgeneratorè odder als hochgnaui Referenzschpannigsquèlleè Aawendig. Als Schnittschtellè zu dè digitalè Aawendigè fungyred AD-Wandler un DA-Wandler. D Schaltigè sin deby im Umfang wesèntlich chlyner. D Aazaal vo dè Transischtorè pro Chip bewegèd sich im Berych vo einigè 100 bis zu einigè 10 000 Transischtorè.

In Transischtorschaltigè für d Signalvoarbeitig wiè Vorvoschtärker isch s Ruuschè è wesèntlichi Störgrößi. S spillt deby vo allem s thermischi Ruuschè, s Schrotruuschè sowiè s 1/f-Ruuschè è Rollè. By m MOS-Feldeffèkttransischtor isch s 1/f-Ruuschè schu unter ca. 1 MHz bsunders groß. S unterschydliche Ruuschvohaaltè bschtimmt ebbèfalls diè möglichè Ysatzberych vo dè Transischtortûpè, byschpillswys im Nidderfrequènzvoschtärker odder in speziellè ruuscharmi Hochfrequènzumsetzer.

I dè analogè Schaltigstechnig wörred au hüt no diskreti Transischtorè vo unterschydlichè Tûpè ygsetzt un mit anderè elegtronischè Bauelemènt uff Leiterblattè vobundè, wenn s für selli Aaforderig no kei fèrtigi integryrti Schaltigè bzw. Schaltigsdeil git. Èn witerè Ysatzberych für dè Ysatz vo diskretè Transischtorschaltigè lyt im qualidativ höcherè Segmènt vo dè Audiotechnig.

Leischtigselegtronik

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Leischtigstransischtorè vom Tûp 2N3055 im TO-3-Ghüüs, durch è Glimmerschybè elegtrisch isolyrt uff èn Aluminium-Küèlkörper uffgschruubèt

Transischtorè wörred in unterschidlichè Berych vo dè Leischtigselegtronik ygsetzt. Im Berych vo Leischtigsvoschtärker findet si sich in Èmdschtufè. Im Berych vo dè greglètè Stròmvosorgigè wiè bi Schaltnetzdeil findet Leischtigs-MOSFET odder IGBT Aawendig – si wörred dört als Wechsèlrichter un sûnchroni Glychrichter vowendèt. IGBT un Leischtigs-MOSFET dringèd zuènemmend in Berych vor, wo bishèr größerè Thûrischtorè vorbhaaltè gsi sin, bspw. in Wechsèlrichter odder Motòrschtüèrigè. Dè Vordeil vo Leischtigstransischtorè gegèübber Thûrischtorè isch diè Möglichkeit, Transischtorè jedderzit y- odder uusschaltè z könnè. Herkömmlichi Thûrischtorè könned zwar jedderzit ygschaltet (zündet) wörrè, abber nit bzw. nu mit zuèsätzlichem Schaltigsuffwand widder uusgschaltet wörrè. Èn Umschtand, wo vor allem bi Glychschpannigsaawendigè vo Nõchdeil isch.

Uffgrund vo dè Voluschtleischtigè i d Leischtigselegtronik kömmed meischtens größeri Transischtorghüüs wiè TO-220 odder TO-3 zur Aawendig, wo zuèsätzlich è guèti thermischi Vobindig zum Küülkörper ermögliched.

Literadur

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 978-3-540-42849-7.
  • Kurt Hoffmann: Systemintegration: Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung. 2. Auflage. Oldenbourg, 2006, ISBN 978-3-486-57894-2.
  • Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie: Grundlagen mikroelektronischer Integrationstechnik. 5. Auflage. Vieweg+Teubner, 2008, ISBN 978-3-8351-0245-3.

Weblinggs

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
 Commons: Transistor – Sammlig vo Multimediadateie

Einzelnõchwys

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
  1. ↑ The First Transistor Information zu dè Hèrkumpft vom Wort „Transischtor“ uff dè Websitè vo dè The Nobel Foundation
  2. ↑ Patent CA272437: Electric Current Control Mechanism. Veröffentlicht am 19. Juli 1927, Erfinder: Julius Edgar Lilienfeld (Ytraag bim kanadischè Padentamt).
  3. ↑ Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Volaag Berliner Union, Stuègett 1972, ISBN 3-408-53050-5.
  4. ↑ Patent GB439457: Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. Erfinder: Oskar Heil (Èrschtaameldig am 2. März 1934 z Dütschland).
  5. ↑ Bo Lojek: The MOS Transistor. In: History of Semiconductor Engineering. Berlin, ISBN 978-3-540-34257-1.
  6. ↑ J.R. Pierce: The naming of the transistor. Band 86, Nr. 1, doi:10.1109/5.658756.
  7. ↑ Walter H. Brattain: Laboraufzeichnungen vom 24. Dezember 1947. Archiviert vom Original am 25. Juli 2012; abgruefen am 24. April 2014. (PDF; 2,2 MB)
  8. ↑ I. M. Ross: The invention of the transistor. In: Proceedings of the IEEE. Band 86, Nr. 1, doi:10.1109/4.643644 (PDF [abgerufen am 24. April 2014]). PDF (Memento vom 1. Februar 2012 im Internet Archive)
  9. ↑ J. Bardeen, W. H Brattain: The Transistor. A Semi-Conductor Triode. In: Physical Review. Band 74, Nr. 2, ISSN 0031-899X, doi:10.1103/PhysRev.74.230.
  10. ↑ Patent FR1010427: Nouveau système cristallin à plusieurs électrodes réalisant des effects de relais électroniques. Angemeldet am 13. August 1948, Erfinder: H. F. Mataré, H. Welker.
  11. ↑ Patent US2673948: Crystal device for controlling electric currents by means of a solid semiconductor. Erfinder: H. F. Mataré, H. Welker (französischi Priorität 13. August 1948).
  12. ↑ Armand van Dormael: The “French” Transistor (PDF; 3,2 MB). In: Proceedings of the 2004 IEEE Conference on the History of Electronics. Bletchley Park, June 2004.
  13. ↑ Foto vum Transischtron im: „Computer History Museum“
  14. ↑ Patent US2524035: Three-Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials. Angemeldet am 27. Juni 1948, veröffentlicht am 3. Oktober 1950, Erfinder: J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley.
  15. ↑ R.G. Arns: The other transistor: early history of the metal–oxide–semiconductor field-effect transistor. Vol. 7, Nr. 5.
  16. ↑ 1951 - First Grown-Junction Transistors Fabricated, Computer History Museum
  17. ↑ Heinz Richter: Immer noch wichtig - der Transistor. In: Telekosmos-Praktikum Teil 1. 1966
  18. ↑ Peter Mäder: ELEKTRONIK 8500. ELAR-Lehrmittel, 2. Juni 2005.
  19. ↑ ängl. indium blobs, vgl. Nigel Calder: The Transistor 1948-58. Band 86, Nr. 4 (Iigschränkti Vorschau uf books.google.de).
  20. ↑ Carver A. Mead: Schottky barrier gate field effect transistor. In: Proceedings of the IEEE Nr. 2, 1966, Volume 54, S. 307–308, Februar 1966
  21. ↑ P. K. Weimer: The TFT – A New Thin-Film Transistor. In: Proceedings of the IRE. Band 50, Nr. 6, doi:10.1109/JRPROC.1962.288190.
  22. ↑ Merkregel: Duèt dè Pfyl dè Basis wee – handlet's sich um PNP.
  23. ↑ H. R. Huff, U. Gosele, H. Tsuya: Semiconductor Silicon. ISBN 1-56677-193-5.
  24. ↑ A. K. Agarwal, et al.: SiC Electronics. In: International Electron Devices Meeting. Dezembèr 1996, S. 225–230
  25. ↑ P. G. Neudeck, G. M. Beheim, C. S. Salupo: 600 °C Logic Gates Using Silicon Carbide JFET's (Memento vom 9. März 2012 im Internet Archive) (PDF; 954 kB) In: Government Microcircuit Applications Conference Technical Digest, Anaheim, März 2000, S. 421–424
  26. ↑ 26,0 26,1 Nico Ernst: Intel zeigt Details zu dè CPUs mit 32 und 22 Nanometèr. In: Golem.de. 16. Dezember 2009, abgruefen am 17. Dezember 2009.
  27. ↑ Christof Windeck: Bei AMD/Globalfoundries startet die 28- und 32-nm-Chipproduktion 2010. In: heise online. 1. Oktober 2009, abgruefen am 17. Dezember 2009.
  28. ↑ http://www.heise.de/ct/meldung/AMD-erteilt-20-Nanometer-Chips-fuer-2014-eine-Absage-2174238.html
  29. ↑ Radeon HD 7970: Mit 2048 Kernen an die Leistungsspitze. In: heise online. 22. Dezember 2011, abgruefen am 22. Dezember 2011.
  30. ↑ GTC 2012: GK110-Grafikchip hat bis zu 2880 Shader-Kerne. In: heise online. 15. Mai 2012, abgruefen am 20. November 2012.
Dä Artikel basiert uff ere fräie Übersetzig vu dere Version vum Artikel „Transistor“ vu de dütsche Wikipedia. E Liste vu de Autore un Versione isch do z finde.