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Beispiele für Transistoren

EIN Transistor (Kontraktion v. Gespenstisch.Transfer und Widerstand, = wörtl.: Übergangswiderstand) ist ein Halbleiterbauelement mit in der Regel drei Anschlüssen. wenn elektronischer Teil Dient ein Transistor unter anderem als Stärkung oder Schaltelement in einer elektronischen Schaltung. Transistoren können Abmessungen von wenigen Nanometern bis zu mehreren Zentimetern haben.

Ein Transistor als separates Bauteil besteht aus einem Kristall aus a Halbleiter in einem geschlossenen Gehäuse aus Metall oder Kunststoff.

Symbol

Es gibt in der Regel drei Verbindungen (Elektroden): der Emitter E, der Kollektor C und die Basis B. In der gemeinsamen Emitterschaltung wird einem von ihnen, der Basis, das zu verstärkende Signal zugeführt, dem zweiten, dem Kollektor, kann das verstärkte Signal entnommen werden, der dritte Anschluss, der Emitter, ist beiden Signalen gemeinsam.

Ein Transistor dient hauptsächlich dazu, elektronische Signale zu verstärken oder zu reduzieren Schalter. Der Transistor ist der Grundbaustein von Computers und viele andere elektronische Schaltungen. Transistoren werden manchmal als separate Komponenten verwendet, aber hauptsächlich existieren sie als grundlegender Baustein von integrierte Schaltkreise.

Geschichte

Eine Nachbildung des ersten funktionierenden Transistors von Bell Labs

der Physiker Julius Edgar Lilienfeld hatte 1923 den ersten funktionierenden Transistor gebaut und 1925 in Kanada ein Patent für den ersten Transistor in einem Gerät angemeldet, das als äquivalent zu a . beschrieben wurde FET (Feldeffekttransistor).^[1] Er hat jedoch keine Forschungsarbeiten zu diesem Transistor verfasst. 1934 erhielt der deutsche Erfinder Oskar Heil ein Patent für ein ähnliches Gerät.^[2]

John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain bei Bell Labs, 1948.

Nach Ansicht des Wissenschaftshistorikers Robert Arns hast Bell Labs Rechtsdokumente, die belegen, dass William Shockley und Gerald Pearson konnten Arbeitsgeräte auf Basis von Lilienfelds Patenten bauen, ohne in wissenschaftlichen Publikationen darauf Bezug zu nehmen.^[3]

1947 entdeckt John Bardeen und Walter Brattain bei Bell Labs von AT&T in den Vereinigten Staaten, dass bei elektrischen Kontakten Germaniumkristall bestätigt wurden, die elektrischer Strom am Ausgang erhöht sich in Abhängigkeit von einem kleinen Eingangsstrom. Der Leiter der Gruppe Festkörperphysik William Shockley erkannte die Bedeutung dieser Entdeckung und in den folgenden Monaten wurde viel daran gearbeitet, das Wissen über Halbleiter zu erweitern und gilt daher als "Vater des Transistors". Der Begriff "Transistor" wurde geprägt von John R. Pierce.^[4]

Der erste auf Silizium basierter Transistor wurde hergestellt von Texas Instruments im Jahr 1954.^[5] Dies war die Arbeit von Gordon Teal, einem Experten für die Herstellung sehr reiner Kristalle, der Bell Labs arbeitete.^[6]

Der Erste MOOSTransistor (Metall-Oxid-Halbleiter) wurde von Kahng und Atalla bei Bell Labs gebaut.^[7]

1956 erhielten Bardeen, Brattain und Shockley die Nobelpreis für Physik für ihre Halbleiterforschung und die Entdeckung des Transistoreffekts.^[8]

Benennung

Der Name Transistor ist laut einem technischen Memorandum von Bell Labs aus dem Jahr 1948 eine Kontraktion der englischen Wörter Transfer, oder Transkonduktanz (übertragen) und Varistor (variabler Widerstand, variabler Widerstand),^[9] konzipiert von John R. Pierce, einem Kollegen von Bardeen, der Science-Fiction-Bücher schrieb (Bardeen ca. 1965, Privatmitteilung). Laut Pierce selbst ist der Name eine Abkürzung des Begriffs Trans-Widerstand, der Anhänger von Transkonduktanz von Elektronenröhren und im Einklang mit Begriffen wie Varistor, Widerstand und Thermistor.

Obwohl der Plural oft als „Transistoren“ verwendet wird, ist der niederländische Plural offiziell „Transistoren“. In dem Slang Elektronik wird übrigens als „Tor“ und „Torren“ bezeichnet.

Versionen

Bipolarer NPN-Transistor		Bipolarer PNP-Transistor

Es gibt zwei Grundtypen von Transistoren: das Original Bipolartransistor und der Feldeffekttransistor (FET). Der erste wird mit einem Strom und der zweite mit einem controlled gesteuert Stromspannung. Jeder Typ hat wiederum zwei Konstruktionen, je nach Ausgangslage das n- oder das p-dotierte Material. Für den bipolaren Typ gibt es PNP- und NPN-Transistoren, von den FETs gibt es n- bzw. p-Kanal-Versionen. Die Ströme und Spannungen sind einander entgegengesetzt. Darüber hinaus gibt es auch das sogenannte Unijunction-Transistor, bestehend aus einem Kanal aus n- oder p-dotiertem Material, auf dem a pn-Übergang wurde eingebaut.

Transistoren haben drei Anschlüsse mit jeweils eigener Funktion und eigenem Namen.

Für einen Bipolartransistor sind dies:

1. Basis (B),
2. Sender (E) und
3. Sammler (C).

Für einen Feldeffekttransistor sind dies:

1. Tor (G),
2. Quelle (S) und
3. abtropfen lassen (D).

Operation

Russische Transistoren

Bipolarer Transistor

sehen Bipolarer Transistor für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Ein Transistor allein kann keine Ströme oder Spannungen erzeugen. Ein Transistor kann Ströme verstärken. Die Funktionsweise lässt sich am einfachsten erklären, indem man den Transistor in eine einfache Schaltung einbindet, siehe Abbildung.

Zwischen Basis und Emitter eines Transistors befindet sich eine Übergangsschicht, deren Durchlässigkeit für elektrischen Strom durch Variation einer Potentialdifferenz zwischen Basis und Emitter beeinflusst werden kann. Mit steigender Spannung Ub beginnt ein (relativ kleiner) Strom Ib in der "Basis" des Transistors zu fließen. Dadurch werden Ladungsträger im Erschöpfungszone so dass bei einer ausreichenden Spannung (U) zwischen Kollektor und Emitter ein Strom durch diesen Teil des Transistors fließt. Dieser Strom (Kollektorstrom) hängt vom Basisstrom ab und ist ein Vielfaches davon. Auf diese Weise kann der Transistor als Stromverstärker (Stromregler) betrachtet werden. Der Stromverstärkungsfaktor wird oft durch das Symbol β ( = Ic/Ib) oder H . angegeben_fe und kann je nach Transistortyp zwischen 20 und 800 liegen.

Es gibt jedoch ein Maximum in der Größe von Ib und Ic, wenn diese erreicht sind, befindet sich der Transistor 'in der Sättigung'. Der Spannungsabfall ist minimal (typisch 0,4 V), ebenso die Wärmeentwicklung im Transistor. Wenn Ib über den maximalen und minimalen Strom hinaus variiert, dann hat der Transistor wie ein Schalter zwei Zustände: den leitenden und den nicht leitenden Zustand. Auf diese Weise kann die Schaltung als binäre Komponente von a . verwendet werden Digital aber auch als Schalter für große Ströme.

Beispiel

Ein Transistor als Stromverstärker in einer Schaltung. Die Kurven Ub(Basis), Ib(Basis) und Ic(Kollektor) veranschaulichen einen zeitabhängigen Verlauf: U ist Spannung, I ist Strom. An der Basis liegt ein Eingangssignal an: a Stromspannung Ub, was einen Eingangsstrom Ib bewirkt. Dadurch wird der Transistor "leitend": die: Leitfähigkeit von dem Schaltkreis von Batterie, Widerstand Rc und vom Kollektor zum Emitter erhöht sich, wodurch der Strom Ic fließen kann. Mit einem kleinen Steuerstrom Ib kann ein viel größerer Strom Ic gesteuert werden.

Fototransistor

EIN Fototransistor ist ein Bipolartransistor, dessen pn-Übergang zwischen Basis und Emitter für Licht zugänglich ist. Die Steuerung erfolgt hier durch das einfallende Licht.

Feldeffekttransistor

Eine kleine Steuerspannung am Tor von a Feldeffekttransistor (Feldeffekttransistor, FET) beeinflusst den Widerstand des Kanals zwischen Quelle und ablassen, wodurch die größeren Ströme gesteuert werden, die in diesem Kanal fließen können. Ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Bipolartransistor und einem FET besteht darin, dass beim Bipolartransistor der Kollektorstrom durch einen Strom (durch die Basis des Transistors) gesteuert wird, während beim FET der Sourcestrom durch eine Spannung (am Gate) gesteuert wird. .

Anwendung

Transistorkurven-Tracer Trace, Gerät zum Untersuchen von Transistoren und Zeichnen von Graphen.

Integrierte Schaltkreise (manchmal auch Kartoffelchips genannt) sind mit (manchmal Milliarden) Transistoren als Basis aufgebaut. Im Digital Chips werden nicht zu Transistoren wie analog Verstärker, aber als elektronischer Schalter.

Vor der Erfindung des Transistors verwendeten die Menschen Elektronenröhren oder Relais für diese Arten von Anwendungen. Etwas Computers bestand dann aus einem ganzen Raum voller Elektronenröhren. Da jede dieser Röhren eine begrenzte Lebensdauer hatte, musste regelmäßig eine Röhre ausgetauscht und Teile der Berechnungen neu berechnet werden. Vor dem Telefonzentralen die mit Relais gebauten hatten ähnliche Probleme.

Gebäudeformen

Neben den herkömmlichen Transistoren mit Anschlussdrähten (englisch: Durchgangslochtransistoren) sind in den letzten Jahren besonders verbreitet SMDTransistoren verwendet. SMD-Bauteile nehmen auf einer Leiterplatte viel weniger Platz ein und es müssen keine Löcher in die Leiterplatte gebohrt werden, um die SMD-Bauteile zu montieren. Im dieser Tisch viele aktuelle Transistoren aus beiden Kategorien wurden gesammelt.

Kühlung

Transistoren müssen die im Betrieb entstehende Wärme abführen können. Bei den kleinen Transistoren in TO-18-, TO-39- und TO-92-Gehäusen wird die durchfließende Wärme Ableitung erregt wird, meist damit, aber besonders mit dem sogenannten Leistungstransistoren die Ströme (und damit auch die Leistungen) können so groß werden, dass a Kühlplatte muss verwendet werden, um die Wärme an die Luft zu übertragen. Neben dem Strom ist auch die Frequenz, mit der der Transistor arbeitet, ein Faktor für die Wärmeentwicklung, zum Beispiel bei Computerprozessoren aufgrund der großen Anzahl integrierter Transistoren.

Reicht eine Kühlplatte allein nicht aus, kann es notwendig sein, Ventilator benutzen. Dies wird als Zwangskühlung bezeichnet. Dies wird zum Beispiel für den Lüfter des Prozessor in einem Computer.

Um einen Kühlkörper zu berechnen, gehen wir wie folgt vor: Die Temperaturdifferenz zwischen Junction ja und Umwelt ein ist

${displaystyle T'_{ ext{(j-a)}}=P imes R_{ ext{th(j-a)}}}$,

mit T' = Temperatur in Kelvin = Grad Celsius 273,15), p die Verlustleistung und ${displaystyle R_{ ext{th}}}$ der Wärmewiderstand. Dazu muss noch die Umgebungstemperatur addiert werden und die Summe muss dann kleiner sein als die maximal zulässige Sperrschichttemperatur (für Silizium etwa 150 bis 200 Grad Celsius). Aus der Rechnung folgt, dass T_ja zu hoch wird, muss eine Kühlplatte verwendet werden. Der Wärmekreis besteht dann aus drei in Reihe geschalteten Widerständen ${displaystyle R_{ ext{th(j-m)}}}$, ${displaystyle R_{ ext{th(m-h)}}}$ und ${displaystyle R_{ ext{th(h-a)}}}$. Dies sind jeweils der Wärmewiderstand des Anschlusses an das Haus oder die Montageplatte (ichMontagesockel), vom Gehäuse zum Kühlkörper (haessen senke) und vom Kühlkörper zur Umgebung (einUmgebung = Luft). Bei Verwendung einer Isolierplatte (z.B. Glimmer) muss zusätzlich der Wärmewiderstand ${displaystyle R_{ ext{th(i)}}}$ aufgeladen werden. Das Erforderliche ${displaystyle R_{ ext{th(h-a)}}}$ wird durch die Gleichung berechnet:

${displaystyle R_{ ext{th(ha)}}={frac {T_{j({ ext{max}})}-T_{ ext{a}}}{P}}-R_{ ext{th(jm) }}-R_{ ext{th(i)}}-R_{ ext{th(mh)}}}$

Beispiele für praktische Hitzebeständigkeiten: Ein direkt mit zwei M3-Schrauben ohne Leitpaste montiertes TO-3-Gehäuse bietet eine ${displaystyle R_{ ext{th(m-h)}}}$ ~0,6K/W. Mit Nudeln, die ~ 0,1 K/W werden und mit a Glimmerplatte 1 K/W bzw. 0,3 K/W. Standard Druckmaterial bei einer Kupferoberfläche von 50 × 50 mm, Kupferdicke 35 µm hat a ${displaystyle R_{ ext{th(m-a)}}}$ ~ 50 K/W bei Montage des Transistors auf der Isolierseite.

Für die verschiedenen Kühlkörper wird vom Hersteller der Wärmewiderstand angegeben, der in größeren Höhen ansteigt. Ein Kühlkörper sollte vorzugsweise in vertikaler Position montiert werden, um den durch die Wärmeabgabe verursachten Luftstrom so wenig wie möglich zu behindern. Bei blanken Oberflächen ist der Wärmewiderstand um 10 bis 15 % höher. Bei horizontalem Einbau müssen 15 bis 20 % höhere Werte berechnet werden.

Berechnungsbeispiel

Eine Berechnung des maximalen Wärmewiderstands ${displaystyle mathrm {R_{th(h-a)}} }$ (Kühlplattenumgebung).

${displaystyle T_{ ext{j(max)}}}$ (Barriereschicht) = 160 °C

${displaystyle T_{ ext{a}}}$ (Umgebung) = max. 40 °C

${displaystyle P_{ ext{dissipation}}}$ = 8 Watt

${displaystyle R_{ ext{th(c-h)}}}$ (Gehäuse - Kühlkörper) = 3 °C/W

${displaystyle R_{ ext{th(j-c)}}}$ (Barrieregehäuse) = 4 °C/W, dann

${displaystyle R_{ ext{th(ha)}}={frac {D_{ ext{t}}}{P_{ ext{v}}}}}-R_{ ext{th(jm)}}-R_{ ext{ th(i)}}={frac {160-40}{8}}-3-4=8}$ °C / W

Siehe auch

• Liste der Transistoren

Externer Link

• (und) Erklärung des Transistors, computerworld.com

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