Transistor

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement zum Steuern oder Verstärken meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der wichtigste aktive Bestandteil elektronischer Schaltungen und wird unter anderem in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt. In integrierten Schaltkreisen arbeitet er besonders häufig als Ein-/Aus-Schalter und ermöglicht dadurch die moderne Mikroelektronik.

Transistoren bilden zwei Hauptgruppen: Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren (FET). Sie unterscheiden sich vor allem durch die Art der Ansteuerung. Bipolartransistoren werden durch einen Strom gesteuert, FETs durch eine Spannung. Dadurch kann ein Transistor als Verstärker oder als elektronischer Schalter eingesetzt werden.

Geschichtliche Entwicklung

Julius Edgar Lilienfeld meldete 1925 erste Patente für ein Bauelement an, dessen Eigenschaften mit einer Elektronenröhre vergleichbar waren und das dem heutigen Feldeffekttransistor entsprach. Oskar Heil ließ 1934 einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate patentieren. Erste praktisch realisierte Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) mit p-n-Übergang gehen auf Herbert F. Mataré, Heinrich Welker sowie William Shockley und Walter H. Brattain aus dem Jahr 1945 zurück.

Herbert Mataré beobachtete ab 1942 bei Germanium-Dioden, dass die Spannung an einer Diode den Strom durch eine zweite beeinflussen konnte. Diese Beobachtung führte zur Grundidee früher Spitzentransistoren. In den Bell Laboratories entwickelten John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain den ersten funktionierenden Bipolartransistor. Er wurde am 23. Dezember 1947 erstmals firmenintern vorgestellt. Für die Untersuchungen über Halbleiter und die Entdeckung des Transistoreffekts erhielten sie 1956 den Nobelpreis für Physik.

Herbert Mataré und Heinrich Welker entwickelten unabhängig davon in Frankreich ebenfalls einen funktionsfähigen Bipolartransistor und meldeten am 13. August 1948 ein Patent an. Die Entwicklung wurde am 18. Mai 1949 unter dem Namen „Transistron“ vorgestellt, der sich jedoch nicht durchsetzte. 1951 gelang Gordon Teal, Morgan Sparks und William Shockley die Herstellung eines Flächentransistors aus nur einem Kristall. Der 1960 von Jean Hoerni entwickelte Planartransistor ermöglichte wirksamen Schutz der empfindlichen p-n-Übergänge und die parallele Massenfertigung auf Wafern.

1959 entwickelten Martin M. Atalla und Dawon Kahng den ersten MOSFET. Seine Skalierbarkeit, geringe Leistung und hohe Packungsdichte machten ihn zur Grundlage der CMOS-Technik und hochintegrierter Schaltungen. 1966 entwickelte Carver Mead den ersten auf Galliumarsenid basierenden Feldeffekttransistor (MESFET). Dünnschichttransistoren (TFTs) wurden bereits 1962 von Paul K. Weimer entwickelt und fanden etwa 30 Jahre später in farbigen TFT-Displays breite Anwendung.

In den 1950er Jahren konkurrierten Transistoren mit Elektronenröhren. Wegen ihrer geringen Größe, ihres geringen Energiebedarfs und steigender Transitfrequenzen lösten Transistoren die Röhren in den 1960er Jahren als Signalverstärker auf fast allen technischen Gebieten ab. Moderne Mikroprozessoren enthalten viele Millionen bis Milliarden Transistoren; die 2022 veröffentlichte Grafikkarte RTX 4090 besitzt 76,3 Milliarden Transistoren.

Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren

Beim Bipolartransistor tragen sowohl Elektronen als auch positive Ladungsträger, sogenannte Löcher oder Defektelektronen, zum Ladungstransport bei. Die drei Anschlüsse heißen Basis (B), Emitter (E) und Kollektor (C). Ein kleiner Steuerstrom durch die Basis-Emitter-Strecke verändert die Raumladungszonen im Inneren und steuert dadurch einen großen Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke.

Je nach Dotierungsfolge unterscheidet man npn-Transistoren (negativ-positiv-negativ) und pnp-Transistoren (positiv-negativ-positiv). Dotierung ist das Einbringen von Fremdatomen in das hochreine Halbleitermaterial, um dessen Kristallstruktur und elektrische Eigenschaften zu verändern. Bipolartransistoren sind grundsätzlich selbstsperrend: Ohne den kleinen Ansteuerstrom durch die Basis-Emitter-Strecke sperren sie zwischen Kollektor und Emitter. Im Schaltsymbol zeigt der Emitterpfeil beim npn-Transistor vom Bauelement weg, beim pnp-Transistor zum Bauelement hin. Eine Darlington-Schaltung verbindet zwei Bipolartransistoren und erreicht dadurch eine deutlich höhere Stromverstärkung.

Feldeffekttransistoren (FETs), auch unipolare Transistoren genannt, werden durch eine Spannung gesteuert. Typisch sind ihr sehr hoher Eingangswiderstand und die dadurch nahezu leistungslose statische Ansteuerung. Die Anschlüsse heißen Gate, Drain und Source. Die Spannung zwischen Gate und Source erzeugt ein elektrisches Feld und steuert damit den Widerstand und Strom der Drain-Source-Strecke. Dieser Strom kann im Gegensatz zum Kollektorstrom eines Bipolartransistors in beiden Richtungen fließen. Bei MOSFETs kommt zusätzlich der Anschluss Bulk oder Body hinzu, der meist mit Source verbunden ist. Bei Unipolartransistoren ist nur eine Ladungsträgerart am Transport beteiligt: Elektronen oder Löcher.

Sperrschicht-FETs (JFETs) besitzen als isolierende Gate-Zone eine in Sperrrichtung betriebene Diode mit Raumladungszone. In der Grundform sind sie selbstleitend: Ohne Gate-Spannung leiten sie zwischen Source und Drain. Eine geeignete Gate-Spannung verringert die Leitfähigkeit. Es gibt auch selbstsperrende JFETs. JFETs werden als n-Kanal- oder p-Kanal-Typen ausgeführt und finden wegen der etwas komplizierteren Ansteuerung vor allem in speziellen Anwendungen wie Mikrofonverstärkern Verwendung.

Beim MOSFET ist das Gate durch einen Isolator vom leitenden Kanal zwischen Source und Drain getrennt. Der Oberbegriff MISFET bedeutet Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor; aus historischen Gründen wird meist MOSFET beziehungsweise IGFET verwendet. Je nach Dotierung gibt es n- und p-Kanal-MOSFETs, jeweils als selbstleitende Verarmungstypen oder selbstsperrende Anreicherungstypen. Im Schaltsymbol ist die Drain-Source-Linie bei selbstleitenden Typen durchgezogen und bei selbstsperrenden Typen unterbrochen. MOSFETs sind wegen ihrer Vielfalt und einfachen elektrischen Steuerung die mit großem Abstand am meisten produzierten Transistoren. Die CMOS-Technik kombiniert n- und p-MOSFETs und ermöglicht hochkomplexe integrierte Schaltungen mit geringer Leistungsaufnahme.

Spezielle Typen

Der Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) verbindet MOS- und Bipolartechnologie. Er wird seit Ende der 1990er Jahre besonders in der Leistungselektronik eingesetzt und kann Sperrspannungen bis zu 6 kV sowie Ströme bis zu 3 kA schalten. Dadurch ersetzt er zunehmend Thyristoren.

Fototransistoren sind lichtempfindliche bipolare Transistoren, die unter anderem in Optokopplern und Lichtschranken vorkommen. Sie werden durch einfallendes Licht statt durch einen Basis-Emitter-Strom gesteuert; der Basisanschluss kann deshalb fehlen. Der Unijunctiontransistor (UJT) wird heute kaum noch verwendet. Seine Funktionen, etwa in Sägezahngeneratoren, werden größtenteils durch integrierte Schaltungen ersetzt.

Dünnschichttransistoren (TFTs) steuern die einzelnen Pixel bestimmter Flüssigkristallbildschirme. Pro Pixel können bis zu drei TFTs eingesetzt werden; pro Bildschirm sind bis zu einigen Millionen möglich. Sie sind praktisch durchsichtig und ermöglichen gegenüber transistorlosen farbfähigen LC-Displays einen höheren Kontrast.

In EPROMs und EEPROMs speichern MOSFETs mit Floating Gate elektrische Ladung und damit dauerhaft den Zustand eines Bits. Schreiben und bei einigen Typen auch Löschen werden durch den quantenmechanischen Tunneleffekt ermöglicht. Multiemitter-Transistoren werden unter anderem in Logikgattern der Transistor-Transistor-Logik verwendet. 2023 wurde an der UCLA außerdem ein thermischer Transistor vorgestellt, bei dem ein elektrisches Feld den Wärmefluss verändert. Er blieb über mehr als eine Million Schaltvorgänge funktionsfähig.

Bauformen, Werkstoffe und Gehäuse

Die Bauformen unterscheiden sich vor allem durch die Herstellung der p-n-Übergänge und die Anordnung dotierter Bereiche. Auf den Spitzentransistor folgten unter anderem gezogene, Legierungs-, Drift-, Diffusions-, Mesa-, Epitaxial- und Overlay-Transistoren. Die wichtigste Bauform ist der 1960 entwickelte Planartransistor. Bei Doppeltransistoren befinden sich zwei Transistoren in einem Gehäuse; sie werden beispielsweise für Differenzverstärker verwendet. Weitere FET-Bauformen sind der planare MOSFET, der Nanodrahttransistor und der FinFET. Je nach Anforderung gibt es außerdem Hochfrequenz-, Leistungs- und Hochspannungstransistoren.

Frühe Bipolartransistoren bestanden überwiegend aus Germanium. Seit 1954 kamen Siliziumtransistoren auf den Markt; in den 1960er und 1970er Jahren wurde Germanium weitgehend durch Silizium ersetzt. Silizium besitzt ein stabiles, nichtleitendes Siliziumdioxid zur Passivierung, lässt sich einfacher verarbeiten und ermöglicht eine günstige Grenzfläche für isolierte Gates. Für Hochfrequenzanwendungen werden unter anderem Galliumarsenid und Siliziumgermanium verwendet. Für hohe Temperaturen dient Siliziumcarbid (SiC); solche Transistoren können beispielsweise bei Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden, während siliziumbasierte Halbleiter eine maximale Betriebstemperatur im Bereich von 150 °C haben.

Transistoren besitzen normalerweise drei Anschlüsse. Bei Leistungstransistoren kann das verschraubte Metallteil des Gehäuses einen Anschluss bilden; vier Drähte können zusätzlich eine Abschirmung führen. Gehäuse schützen vor Sauerstoff, Feuchtigkeit, Licht, Strahlung sowie elektrischen und magnetischen Feldern und leiten Wärme zum Kühlkörper ab. Verwendet werden unter anderem Glas, Aluminium- oder Kupferblech, Duroplast und Keramik. In der Leistungselektronik sind beispielsweise TO-220- und TO-3-Gehäuse üblich.

Für Transistortypen existieren Normen wie Pro Electron in Europa, JEDEC in den USA und JIS in Japan. Bei Pro Electron bezeichnet der erste Buchstabe das Halbleitermaterial, etwa „A“ für Germanium und „B“ für Silizium; der zweite Buchstabe beschreibt die Funktion, etwa „A“ für Diode und „F“ für HF-Transistor. JEDEC bezeichnet Dioden mit „1N“ und Transistoren mit „2N“.

Anwendungen und Schaltungstechnik

Transistoren werden heute in nahezu allen elektronischen Schaltungen eingesetzt. Diskrete Einzeltransistoren spielen gegenüber Transistoren in integrierten Schaltungen eine nebensächliche Rolle. In der Digitaltechnik arbeiten Transistoren vor allem als elektronische Schalter in RAM- und Flash-Speichern, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren und Logikgattern. Hochintegrierte Schaltungen enthalten über eine Milliarde Transistoren auf wenigen Quadratmillimetern. Die zunehmende Transistorzahl pro Fläche wird als Mooresches Gesetz bezeichnet. Mehr Transistoren steigern Speicherkapazität, Funktionsumfang und Rechengeschwindigkeit; kleinere Transistoren senken zugleich den Energieverbrauch bezogen auf die Arbeitsleistung.

Beispiele für Transistorzahlen und Technologieknoten sind: Intel 4004 mit 2.300 Transistoren bei 10000 nm (1971), Intel Pentium P5 mit 3.100.000 bei 800 nm (1993), Intel Core 2 Yorkfield mit 410.000.000 bei 45 nm (2007), Intel Itanium 2 Tukwila mit 2.046.000.000 bei 65 nm (2010), AMD Tahiti XT mit 4.312.711.873 bei 28 nm (2011), Nvidia Kepler GK110 mit 7.100.000.000 bei 28 nm (2012) und AMD Epyc mit 32 Kernen mit 19.200.000.000 bei 14 nm (2017). Bei der 45-nm-Technik betrug die Gate-Länge beispielsweise rund 21 nm.

In der analogen Schaltungstechnik werden Bipolartransistoren und FETs unter anderem in Operationsverstärkern, Signalgeneratoren und Referenzspannungsquellen eingesetzt. Typische Störgrößen sind thermisches Rauschen, Schrotrauschen und 1/f-Rauschen. Beim MOSFET ist das 1/f-Rauschen unter etwa 1 MHz besonders groß. Diskrete Transistoren werden weiterhin eingesetzt, wenn keine passende integrierte Schaltung vorhanden ist, unter anderem in anspruchsvoller Audiotechnik.

Eine ältere Einteilung unterschied Kleinsignaltransistoren bis etwa 1 W, Leistungstransistoren oberhalb 1 W, Hochfrequenztransistoren oberhalb 100 kHz und Schalttransistoren. Die frühere Grenze von 100 kHz für Hochfrequenztransistoren würde heute etwa um den Faktor 1000 höher angesetzt.

In der Leistungselektronik dienen Transistoren beispielsweise in Endstufen, Schaltnetzteilen, Wechselrichtern, synchronen Gleichrichtern und Motorsteuerungen. Leistungs-MOSFETs und IGBTs können im Gegensatz zu herkömmlichen Thyristoren jederzeit ein- und ausgeschaltet werden. Wegen der Verlustleistung werden größere Gehäuse und Kühlkörper verwendet.