Transistor

Größenvergleich von BJT-Transistorgehäusen, von links nach rechts: SOT-23, TO-92, TO-126, TO-3 ⓘ

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit Gate (G), Gehäuse (B), Source (S) und Drain (D). Das Gate ist durch eine Isolierschicht (rosa) vom Gehäuse getrennt. ⓘ

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das zur Verstärkung oder zum Schalten von elektrischen Signalen und Strom verwendet wird. Der Transistor ist einer der Grundbausteine der modernen Elektronik. Er besteht aus Halbleitermaterial und hat in der Regel mindestens drei Anschlüsse für die Verbindung mit einer elektronischen Schaltung. Eine Spannung oder ein Strom, der an ein Paar der Transistoranschlüsse angelegt wird, steuert den Strom durch ein anderes Paar von Anschlüssen. Da die gesteuerte (Ausgangs-)Leistung höher sein kann als die steuernde (Eingangs-)Leistung, kann ein Transistor ein Signal verstärken. Einige Transistoren werden einzeln verpackt, aber viele andere sind in integrierte Schaltungen eingebettet. ⓘ

Der österreichisch-ungarische Physiker Julius Edgar Lilienfeld schlug das Konzept des Feldeffekttransistors 1926 vor, doch war es damals noch nicht möglich, ein funktionierendes Gerät zu bauen. Das erste funktionierende Gerät war ein Punktkontakttransistor, der 1947 von den amerikanischen Physikern John Bardeen und Walter Brattain erfunden wurde, als sie unter William Shockley in den Bell Labs arbeiteten. Die drei teilten sich 1956 den Nobelpreis für Physik für ihre Leistung. Der am weitesten verbreitete Transistortyp ist der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden wurde. Transistoren revolutionierten den Bereich der Elektronik und ebneten den Weg für kleinere und billigere Radios, Taschenrechner und Computer, unter anderem. ⓘ

Die meisten Transistoren werden aus sehr reinem Silizium und einige aus Germanium hergestellt, aber auch bestimmte andere Halbleitermaterialien werden manchmal verwendet. Ein Transistor kann nur eine Art von Ladungsträgern haben, wie z. B. ein Feldeffekttransistor, oder zwei Arten von Ladungsträgern wie ein Bipolartransistor. Verglichen mit der Vakuumröhre sind Transistoren in der Regel kleiner und benötigen weniger Strom für den Betrieb. Bestimmte Vakuumröhren haben bei sehr hohen Betriebsfrequenzen oder hohen Betriebsspannungen Vorteile gegenüber Transistoren. Viele Transistortypen werden nach standardisierten Spezifikationen von mehreren Herstellern gefertigt. ⓘ

Auswahl an diskreten Transistoren in verschiedenen THT-Gehäuseformen ⓘ

Die Bezeichnung „Transistor“ ist ein Kofferwort des englischen transfer resistor, was in der Funktion einem durch eine angelegte elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom steuerbaren elektrischen Widerstand entspricht. Die Wirkungsweise ähnelt der einer entsprechenden Elektronenröhre, nämlich der Triode. ⓘ

Geschichte

Julius Edgar Lilienfeld schlug 1925 das Konzept des Feldeffekttransistors vor. ⓘ

Die thermionische Triode, eine 1907 erfundene Vakuumröhre, ermöglichte die verstärkte Funktechnik und die Ferntelefonie. Die Triode war jedoch ein anfälliges Gerät, das viel Strom verbrauchte. Im Jahr 1909 entdeckte der Physiker William Eccles den Kristalldioden-Oszillator. Der österreichisch-ungarische Physiker Julius Edgar Lilienfeld meldete 1925 in Kanada ein Patent für einen Feldeffekttransistor (FET) an, der die Triode durch einen Festkörper ersetzen sollte. Lilienfeld meldete identische Patente 1926 und 1928 auch in den Vereinigten Staaten an. Lilienfeld veröffentlichte jedoch weder Forschungsartikel über seine Bauelemente noch wurden in seinen Patenten konkrete Beispiele für einen funktionierenden Prototyp genannt. Da die Herstellung hochwertiger Halbleitermaterialien noch Jahrzehnte entfernt war, hätten Lilienfelds Ideen für Festkörperverstärker in den 1920er und 1930er Jahren keine praktische Anwendung gefunden, selbst wenn ein solches Gerät gebaut worden wäre. Im Jahr 1934 ließ der deutsche Erfinder Oskar Heil ein ähnliches Gerät in Europa patentieren. ⓘ

Bipolare Transistoren

John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain in den Bell Labs im Jahr 1948. Bardeen und Brattain erfanden 1947 den Punktkontakttransistor und Shockley 1948 den Bipolartransistor. ⓘ

Ein Nachbau des ersten funktionierenden Transistors, eines 1947 erfundenen Punktkontakttransistors ⓘ

Vom 17. November 1947 bis zum 23. Dezember 1947 führten John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Labs von AT&T in Murray Hill, New Jersey, Experimente durch und stellten fest, dass beim Anlegen von zwei Goldpunktkontakten an einen Germaniumkristall ein Signal erzeugt wurde, dessen Ausgangsleistung größer war als die Eingangsleistung. Der Leiter der Solid State Physics Group, William Shockley, erkannte das Potenzial dieser Beobachtung und arbeitete in den nächsten Monaten daran, das Wissen über Halbleiter erheblich zu erweitern. Der Begriff Transistor wurde von John R. Pierce als Verkürzung des Begriffs Transresistenz geprägt. Laut Lillian Hoddeson und Vicki Daitch hatte Shockley vorgeschlagen, dass das erste Patent der Bell Labs für einen Transistor auf dem Feldeffekt basieren sollte und er als Erfinder genannt werden sollte. Nachdem sie Lilienfelds Patente ausgegraben hatten, die Jahre zuvor in Vergessenheit geraten waren, rieten die Anwälte der Bell Labs von Shockleys Vorschlag ab, da die Idee eines Feldeffekttransistors, der ein elektrisches Feld als "Gitter" nutzt, nicht neu war. Was Bardeen, Brattain und Shockley 1947 stattdessen erfanden, war der erste Punktkontakttransistor. In Anerkennung dieser Leistung erhielten Shockley, Bardeen und Brattain 1956 gemeinsam den Nobelpreis für Physik "für ihre Forschungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts". ⓘ

Shockleys Forschungsteam versuchte zunächst, einen Feldeffekttransistor (FET) zu bauen, indem es versuchte, die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu modulieren, scheiterte aber vor allem an Problemen mit den Oberflächenzuständen, der baumelnden Bindung und den Germanium- und Kupferverbundwerkstoffen. Bei dem Versuch, die mysteriösen Gründe für das Scheitern beim Bau eines funktionierenden FET zu verstehen, erfanden sie stattdessen die bipolaren Punktkontakt- und Übergangstransistoren. ⓘ

Herbert Mataré im Jahr 1950. Im Juni 1948 erfand er unabhängig einen Punktkontakttransistor. ⓘ

Der Punktkontakttransistor wurde 1948 von den deutschen Physikern Herbert Mataré und Heinrich Welker unabhängig voneinander erfunden, während sie bei der Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse, einer Westinghouse-Tochtergesellschaft in Paris, arbeiteten. Mataré hatte bereits Erfahrungen mit der Entwicklung von Kristallgleichrichtern aus Silizium und Germanium im Rahmen der deutschen Radarbemühungen während des Zweiten Weltkriegs gesammelt. Mit diesem Wissen begann er 1947 mit der Erforschung des Phänomens der "Interferenz". Im Juni 1948 beobachtete Mataré, wie Ströme durch Punktkontakte flossen, und erzielte mit Germaniumproben, die von Welker hergestellt worden waren, konsistente Ergebnisse, ähnlich denen, die Bardeen und Brattain bereits im Dezember 1947 erzielt hatten. In dem Bewusstsein, dass die Wissenschaftler der Bell Labs den Transistor bereits vor ihnen erfunden hatten, beeilte sich das Unternehmen, seinen "Übergang" für den verstärkten Einsatz im französischen Telefonnetz in Produktion zu bringen, und meldete am 13. August 1948 sein erstes Transistorpatent an. ⓘ

Die ersten bipolaren Übergangstransistoren wurden von William Shockley von Bell Labs erfunden und am 26. Juni 1948 zum Patent angemeldet (2.569.347). Am 12. April 1950 gelang es den Bell Labs-Chemikern Gordon Teal und Morgan Sparks, einen funktionierenden bipolaren NPN-Übergangsverstärkungstransistor aus Germanium herzustellen. Bell Labs hatte die Entdeckung dieses neuen "Sandwich"-Transistors am 4. Juli 1951 in einer Pressemitteilung bekannt gegeben. ⓘ

Philco-Oberflächenbarrieretransistor, entwickelt und hergestellt 1953 ⓘ

Der erste Hochfrequenztransistor war der 1953 von Philco entwickelte Oberflächenbarrieretransistor aus Germanium, der mit Frequenzen von bis zu 60 MHz arbeiten konnte. Zur Herstellung wurden in eine n-Typ-Germanium-Basis von beiden Seiten Vertiefungen mit Indium(III)-Sulfatstrahlen geätzt, bis sie einige Zehntausendstel Zoll dick war. Das in die Vertiefungen galvanisch abgeschiedene Indium bildete den Kollektor und Emitter. ⓘ

AT&T setzte Transistoren erstmals 1953 in Telekommunikationsgeräten ein, und zwar in Schaltkreisen des No. 4A Toll Crossbar Switching System zur Auswahl von Fernleitungen anhand von auf Übersetzerkarten kodierten Leitweginformationen. Der Fototransistor Nr. 3A von Western Electric las die mechanische Kodierung von gestanzten Metallkarten. ⓘ

Der erste "Prototyp" eines Taschentransistorradios wurde von INTERMETALL (einer 1952 von Herbert Mataré gegründeten Firma) auf der Internationalen Funkausstellung Düsseldorf vom 29. August 1953 bis zum 6. September 1953 vorgestellt. Das erste serienmäßige" Transistor-Taschenradio war das Regency TR-1, das im Oktober 1954 auf den Markt kam. Das TR-1 wurde als Joint Venture zwischen der Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, I.D.E.A., und Texas Instruments aus Dallas, Texas, in Indianapolis, Indiana, hergestellt. Es war ein fast taschengroßes Radio mit 4 Transistoren und einer Germaniumdiode. Das Industriedesign wurde an die Chicagoer Firma Painter, Teague and Petertil vergeben. Es kam zunächst in sechs verschiedenen Farben auf den Markt: Schwarz, Elfenbein, Mandarinenrot, Wolkengrau, Mahagoni und Olivgrün. Weitere Farben sollten in Kürze folgen. ⓘ

Das erste serienmäßige Volltransistor-Autoradio wurde von den Firmen Chrysler und Philco entwickelt und in der Ausgabe des Wall Street Journal vom 28. April 1955 angekündigt. Chrysler hatte das Volltransistor-Autoradio, das Mopar-Modell 914HR, ab Herbst 1955 als Option für die neue Chrysler- und Imperial-Baureihe von 1956 angeboten, die am 21. Oktober 1955 in die Ausstellungsräume der Händler kam. ⓘ

Das Sony TR-63, das 1957 auf den Markt kam, war das erste serienmäßig hergestellte Transistorradio und führte zur Verbreitung von Transistorradios auf dem Massenmarkt. Vom TR-63 wurden bis Mitte der 1960er Jahre weltweit sieben Millionen Stück verkauft. Der Erfolg von Sony mit Transistorradios führte dazu, dass Transistoren Ende der 1950er Jahre die Vakuumröhren als dominierende elektronische Technologie ablösten. ⓘ

Der erste funktionierende Siliziumtransistor wurde am 26. Januar 1954 von Morris Tanenbaum in den Bell Labs entwickelt. Der erste kommerzielle Siliziumtransistor wurde 1954 von Texas Instruments hergestellt. Dies war das Werk von Gordon Teal, einem Experten für die Züchtung hochreiner Kristalle, der zuvor in den Bell Labs gearbeitet hatte. ⓘ

Feldeffekttransistoren

Das Grundprinzip des Feldeffekttransistors (FET) wurde erstmals 1926 von dem österreichischen Physiker Julius Edgar Lilienfeld vorgeschlagen, als er ein Patent für ein dem MESFET ähnliches Gerät anmeldete, und 1928, als er ein Patent für einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate anmeldete. Das FET-Konzept wurde später auch von dem deutschen Ingenieur Oskar Heil in den 1930er Jahren und von William Shockley in den 1940er Jahren theoretisiert. ⓘ

Im Jahr 1945 wurde der JFET von Heinrich Welker patentiert. Nach Shockleys theoretischer Abhandlung über den JFET im Jahr 1952 wurde 1953 von George C. Dacey und Ian M. Ross ein funktionierender praktischer JFET hergestellt. ⓘ

1948 patentierte Bardeen den Vorläufer des MOSFET, einen FET mit isoliertem Gate (IGFET) mit einer Inversionsschicht. Bardeens Patent sowie das Konzept der Inversionsschicht bilden die Grundlage der heutigen CMOS-Technologie. ⓘ

MOSFET (MOS-Transistor)

Mohamed Atalla (links) und Dawon Kahng (rechts) erfanden 1959 in den Bell Labs den MOSFET (MOS-Transistor). ⓘ

In den Anfangsjahren der Halbleiterindustrie konzentrierten sich die Halbleiterunternehmen zunächst auf Sperrschichttransistoren. Der Sperrschichttransistor war ein relativ sperriges Bauelement, das nur schwer in Massenproduktion hergestellt werden konnte, was ihn auf einige spezielle Anwendungen beschränkte. Feldeffekttransistoren (FETs) wurden als potenzielle Alternativen zu den Übergangstransistoren in Betracht gezogen, aber die Forscher konnten die FETs zunächst nicht richtig zum Funktionieren bringen, was vor allem an der störenden Oberflächenzustandsbarriere lag, die verhinderte, dass das externe elektrische Feld das Material durchdrang. ⓘ

In den 1950er Jahren untersuchte der ägyptische Ingenieur Mohamed Atalla in den Bell Labs die Oberflächeneigenschaften von Siliziumhalbleitern und schlug eine neue Methode zur Herstellung von Halbleiterbauelementen vor: Er beschichtete einen Siliziumwafer mit einer isolierenden Schicht aus Siliziumoxid, so dass Elektrizität zuverlässig in das darunter liegende leitende Silizium eindringen konnte und die Oberflächenzustände, die verhinderten, dass Elektrizität die halbleitende Schicht erreichte, überwunden wurden. Diese Methode ist als Oberflächenpassivierung bekannt und wurde für die Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung, da sie später die Massenproduktion von integrierten Siliziumschaltungen ermöglichte. Er stellte seine Ergebnisse 1957 vor. Auf der Grundlage seiner Oberflächenpassivierungsmethode entwickelte er das Metall-Oxid-Halbleiter-Verfahren (MOS). Er schlug vor, das MOS-Verfahren für den Bau des ersten funktionierenden Silizium-FET zu verwenden, den er mit Hilfe seines koreanischen Kollegen Dawon Kahng zu bauen begann. ⓘ

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), auch MOS-Transistor genannt, wurde 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng erfunden. Der MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und in Massenproduktion für eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt werden konnte. In einem selbstausrichtenden CMOS-Prozess wird ein Transistor überall dort gebildet, wo die Gate-Schicht (Polysilizium oder Metall) eine Diffusionsschicht kreuzt. Dank seiner hohen Skalierbarkeit, seines wesentlich geringeren Stromverbrauchs und seiner höheren Dichte als bei Bipolartransistoren ermöglichte der MOSFET den Bau integrierter Schaltungen mit hoher Dichte, so dass mehr als 10.000 Transistoren in einen einzigen IC integriert werden konnten. ⓘ

CMOS (Complementary MOS) wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor erfunden. Der erste Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET stammt von Dawon Kahng und Simon Sze aus dem Jahr 1967. Ein MOSFET mit doppeltem Gate wurde erstmals 1984 von den Forschern des Electrotechnical Laboratory Toshihiro Sekigawa und Yutaka Hayashi demonstriert. Der FinFET (Fin-Field-Effect-Transistor), eine Art nicht planarer 3D-Multi-Gate-MOSFET, geht auf die Forschungen von Digh Hisamoto und seinem Team am Hitachi Central Research Laboratory im Jahr 1989 zurück. ⓘ

Bedeutung

Transistoren sind die wichtigsten aktiven Bauteile in praktisch der gesamten modernen Elektronik. Viele halten den Transistor daher für eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. ⓘ

Die Erfindung des ersten Transistors in den Bell Labs wurde 2009 zu einem IEEE-Meilenstein ernannt. Die Liste der IEEE-Meilensteine umfasst auch die Erfindungen des Sperrschichttransistors im Jahr 1948 und des MOSFET im Jahr 1959. ⓘ

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), auch als MOS-Transistor bekannt, ist der bei weitem am häufigsten verwendete Transistor, der in Anwendungen von Computern und Elektronik bis hin zu Kommunikationstechnologien wie Smartphones eingesetzt wird. Der MOSFET gilt als der wichtigste Transistor, möglicherweise als die wichtigste Erfindung in der Elektronik und als Geburtsstunde der modernen Elektronik. Der MOS-Transistor ist seit dem späten 20. Jahrhundert der Grundbaustein der modernen Digitalelektronik und ebnete den Weg ins digitale Zeitalter. Das US-Patent- und Markenamt bezeichnet ihn als eine "bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur auf der ganzen Welt verändert hat". Ihre Bedeutung in der heutigen Gesellschaft beruht auf ihrer Fähigkeit, in einem hochautomatisierten Verfahren (Halbleiterfertigung) in Massenproduktion hergestellt zu werden, wodurch erstaunlich niedrige Kosten pro Transistor erzielt werden. MOSFETs sind die am meisten produzierten künstlichen Objekte aller Zeiten, von denen bis 2018 mehr als 13 Sextillionen hergestellt werden. ⓘ

Obwohl mehrere Unternehmen jedes Jahr mehr als eine Milliarde einzeln verpackter (so genannter diskreter) MOS-Transistoren herstellen, wird die überwiegende Mehrheit der Transistoren heute in integrierten Schaltkreisen (oft abgekürzt als IC, Mikrochips oder einfach Chips) zusammen mit Dioden, Widerständen, Kondensatoren und anderen elektronischen Bauteilen produziert, um komplette elektronische Schaltungen herzustellen. Ein Logikgatter besteht aus bis zu zwanzig Transistoren, während ein fortschrittlicher Mikroprozessor (Stand 2021) bis zu 39 Milliarden Transistoren (MOSFETs) verwenden kann. ⓘ

Die niedrigen Kosten, die Flexibilität und die Zuverlässigkeit des Transistors haben ihn zu einem allgegenwärtigen Bauelement gemacht. Transistorisierte mechatronische Schaltungen haben elektromechanische Geräte bei der Steuerung von Geräten und Maschinen ersetzt. Es ist oft einfacher und billiger, einen Standard-Mikrocontroller zu verwenden und ein Computerprogramm zu schreiben, um eine Steuerfunktion auszuführen, als ein entsprechendes mechanisches System zu entwickeln, um dieselbe Funktion zu steuern. ⓘ

Vereinfachter Betrieb

Ein Darlington-Transistor, der so geöffnet wurde, dass der eigentliche Transistorchip (das kleine Quadrat) im Inneren zu sehen ist. Ein Darlington-Transistor besteht praktisch aus zwei Transistoren auf demselben Chip. Ein Transistor ist viel größer als der andere, aber beide sind groß im Vergleich zu Transistoren in der Großintegration, da dieses spezielle Beispiel für Leistungsanwendungen bestimmt ist. ⓘ

Ein einfacher Schaltplan zur Veranschaulichung der Beschriftung eines n-p-n-Bipolartransistors ⓘ

Ein Transistor kann ein kleines Signal, das zwischen einem Paar seiner Anschlüsse angelegt wird, zur Steuerung eines viel größeren Signals an einem anderen Paar von Anschlüssen verwenden. Diese Eigenschaft wird als Verstärkung bezeichnet. Er kann ein stärkeres Ausgangssignal, eine Spannung oder einen Strom, erzeugen, das proportional zu einem schwächeren Eingangssignal ist, und somit als Verstärker wirken. Alternativ kann der Transistor als elektrisch gesteuerter Schalter zum Ein- oder Ausschalten von Strom in einer Schaltung verwendet werden, wobei die Stromstärke durch andere Schaltungselemente bestimmt wird. ⓘ

Es gibt zwei Arten von Transistoren, die sich hinsichtlich ihrer Verwendung in einer Schaltung leicht unterscheiden. Ein bipolarer Transistor hat Anschlüsse, die mit Basis, Kollektor und Emitter bezeichnet sind. Ein kleiner Strom am Basisanschluss (d. h. zwischen Basis und Emitter fließend) kann einen viel größeren Strom zwischen Kollektor- und Emitteranschluss steuern oder schalten. Bei einem Feldeffekttransistor sind die Anschlüsse mit Gate, Source und Drain bezeichnet, und eine Spannung am Gate kann einen Strom zwischen Source und Drain steuern. ⓘ

Die Abbildung zeigt einen typischen Bipolartransistor in einer Schaltung. Je nach dem Strom in der Basis fließt eine Ladung zwischen Emitter- und Kollektoranschlüssen. Da sich die Basis- und Emitteranschlüsse intern wie eine Halbleiterdiode verhalten, entsteht zwischen Basis und Emitter ein Spannungsabfall, solange der Basisstrom vorhanden ist. Die Höhe dieser Spannung hängt vom Material ab, aus dem der Transistor besteht, und wird als V_BE bezeichnet. ⓘ

Transistor als Schalter

BJT als elektronischer Schalter, in geerdeter Emitter-Konfiguration ⓘ

Transistoren werden in digitalen Schaltungen häufig als elektronische Schalter verwendet, die sich entweder im "Ein"- oder im "Aus"-Zustand befinden können, sowohl für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch wie Schaltnetzteile als auch für Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch wie Logikgatter. Wichtige Parameter für diese Anwendung sind der geschaltete Strom, die verarbeitete Spannung und die Schaltgeschwindigkeit, die durch die Anstiegs- und Abfallzeiten gekennzeichnet ist. ⓘ

Bei einem Schaltkreis ist es das Ziel, den idealen Schalter mit den Eigenschaften eines offenen Stromkreises im ausgeschalteten Zustand, eines Kurzschlusses im eingeschalteten Zustand und eines sofortigen Übergangs zwischen den beiden Zuständen so weit wie möglich zu simulieren. Die Parameter werden so gewählt, dass der "Aus"-Ausgang auf Leckströme begrenzt ist, die zu klein sind, um die angeschlossenen Schaltungen zu beeinträchtigen, der Widerstand des Transistors im "Ein"-Zustand zu klein ist, um die Schaltungen zu beeinträchtigen, und der Übergang zwischen den beiden Zuständen schnell genug ist, um keine nachteiligen Auswirkungen zu haben. ⓘ

In einer Transistorschaltung mit geerdetem Emitter, wie dem abgebildeten Lichtschalter, steigen die Emitter- und Kollektorströme exponentiell an, wenn die Basisspannung ansteigt. Die Kollektorspannung sinkt aufgrund des geringeren Widerstands zwischen Kollektor und Emitter. Wäre die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter gleich Null (oder nahe Null), würde der Kollektorstrom nur durch den Lastwiderstand (Glühbirne) und die Versorgungsspannung begrenzt werden. Dies wird als Sättigung bezeichnet, da der Strom frei vom Kollektor zum Emitter fließt. Wenn der Schalter in Sättigung ist, gilt er als eingeschaltet. ⓘ

Die Verwendung von Bipolartransistoren für Schaltanwendungen erfordert eine Vorspannung des Transistors, damit er zwischen seinem Sperrbereich im Aus-Zustand und dem Sättigungsbereich (Ein) arbeitet. Dies erfordert einen ausreichenden Basistreiberstrom. Da der Transistor eine Stromverstärkung bietet, ermöglicht er das Schalten eines relativ großen Stroms im Kollektor durch einen viel kleineren Strom im Basisanschluss. Das Verhältnis dieser Ströme ist je nach Transistortyp unterschiedlich, und selbst bei einem bestimmten Typ ist es abhängig vom Kollektorstrom. In dem gezeigten Beispiel einer Lichtschalterschaltung wird der Widerstand so gewählt, dass der Basisstrom ausreicht, um den Transistor in die Sättigung zu bringen. Der Wert des Basiswiderstands wird aus der Versorgungsspannung, dem Spannungsabfall am C-E-Übergang des Transistors, dem Kollektorstrom und dem Verstärkungsfaktor Beta berechnet. ⓘ

Transistor als Verstärker

Verstärkerschaltung, Common-Emitter-Konfiguration mit einer Spannungsteiler-Vorspannungsschaltung ⓘ

Der Common-Emitter-Verstärker ist so konzipiert, dass eine kleine Spannungsänderung (Vin) den kleinen Strom durch die Basis des Transistors ändert, dessen Stromverstärkung in Verbindung mit den Eigenschaften der Schaltung bedeutet, dass kleine Schwankungen von Vin große Änderungen von V_out erzeugen. ⓘ

Es sind verschiedene Konfigurationen von Einzeltransistorverstärkern möglich, von denen einige eine Stromverstärkung, einige eine Spannungsverstärkung und einige beides bieten. ⓘ

Von Mobiltelefonen bis hin zu Fernsehgeräten gibt es eine Vielzahl von Produkten, die Verstärker für die Tonwiedergabe, Funkübertragung und Signalverarbeitung enthalten. Die ersten diskreten Transistor-Audioverstärker lieferten gerade einmal ein paar hundert Milliwatt, doch mit der Verfügbarkeit besserer Transistoren und der Weiterentwicklung der Verstärkerarchitektur stiegen Leistung und Klangtreue. ⓘ

Moderne Transistor-Audioverstärker mit einer Leistung von bis zu einigen hundert Watt sind heute weit verbreitet und relativ preiswert. ⓘ

Vergleich mit Vakuumröhren

Vor der Entwicklung von Transistoren waren Vakuum(elektronen)röhren (oder im Vereinigten Königreich "thermionic valves" oder einfach "valves") die wichtigsten aktiven Komponenten in elektronischen Geräten. ⓘ

Vorteile

Die wichtigsten Vorteile, die es den Transistoren ermöglicht haben, die Vakuumröhren in den meisten Anwendungen zu ersetzen, sind

• Keine Kathodenheizung (die das charakteristische orangefarbene Glühen der Röhren erzeugt), was den Stromverbrauch senkt, die Aufwärmverzögerung der Röhrenheizungen eliminiert und vor Kathodenvergiftung und -verarmung schützt.
• Sehr geringe Größe und geringes Gewicht, was die Größe der Geräte reduziert.
• Eine große Anzahl extrem kleiner Transistoren kann in einer einzigen integrierten Schaltung hergestellt werden.
• Niedrige Betriebsspannungen, die mit Batterien mit nur wenigen Zellen kompatibel sind.
• In der Regel sind Schaltungen mit höherer Energieeffizienz möglich. Insbesondere bei Anwendungen mit geringer Leistung (z. B. Spannungsverstärkung) kann der Energieverbrauch sehr viel geringer sein als bei Röhren.
• Es sind komplementäre Bauelemente verfügbar, die eine Designflexibilität einschließlich komplementärsymmetrischer Schaltungen bieten, was bei Vakuumröhren nicht möglich ist.
• Sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Stößen und Vibrationen, wodurch die physische Robustheit gewährleistet ist und stoßinduzierte Störsignale (z. B. Mikrofonie bei Audioanwendungen) praktisch eliminiert werden.
• Unempfindlich gegen Bruch einer Glashülle, Leckagen, Ausgasungen und andere physikalische Schäden. ⓘ

Beschränkungen

Transistoren können die folgenden Einschränkungen aufweisen:

• Sie verfügen nicht über die höhere Elektronenbeweglichkeit, die das Vakuum der Vakuumröhren bietet, was für den Betrieb mit hoher Leistung und hohen Frequenzen wünschenswert ist, wie z. B. in einigen Fernsehsendern und in Wanderfeldröhren, die als Verstärker in einigen Satelliten verwendet werden.
• Transistoren und andere Halbleiterbauelemente sind anfällig für Schäden durch sehr kurze elektrische und thermische Ereignisse, einschließlich elektrostatischer Entladungen bei der Handhabung. Vakuumröhren sind elektrisch viel robuster.
• Sie reagieren empfindlich auf Strahlung und kosmische Strahlung (für Raumfahrtgeräte werden spezielle strahlungsgehärtete Chips verwendet).
• Bei Audioanwendungen fehlt den Transistoren die für Vakuumröhren charakteristische Verzerrung der unteren Harmonischen - der so genannte Röhrensound -, der von einigen bevorzugt wird. ⓘ

Typen

Es gibt zwei wichtige Gruppen von Transistoren, nämlich Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren (FET), die sich durch die Art der Ansteuerung voneinander unterscheiden. Eine Liste mit einer groben Einordnung bzw. Gruppierung der Transistoren sowie weiteren Transistorenvarianten findet sich unter Liste elektrischer Bauelemente. ⓘ

Klassifizierung

	PNP		P-Kanal
	NPN		N-Kanal
BJT		JFET

BJT- und JFET-Symbole ⓘ

			P-Kanal
			N-Kanal
MOSFET-Erweiterung		MOSFET abwärts

MOSFET-Symbole

Transistoren werden eingeteilt nach

• Struktur: MOSFET (IGFET), BJT, JFET, Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT), andere Typen.
• Halbleitermaterial (Dotierstoffe):
  • Die Metalloide Germanium (erstmals 1947 verwendet) und Silizium (erstmals 1954 verwendet) - in amorpher, polykristalliner und monokristalliner Form.
  • Die Verbindungen Galliumarsenid (1966) und Siliziumkarbid (1997).
  • Die Legierung Silizium-Germanium (1989)
  • Das Allotrop des Kohlenstoffs Graphen (Forschung seit 2004) usw. (siehe Halbleitermaterial).
• Elektrische Polarität (positiv und negativ): NPN, PNP (BJTs), N-Kanal, P-Kanal (FETs).
• Maximale Nennleistung: niedrig, mittel, hoch.
• Maximale Betriebsfrequenz: niedrig, mittel, hoch, Hochfrequenz (RF), Mikrowellenfrequenz (die maximale effektive Frequenz eines Transistors in einer Common-Emitter- oder Common-Source-Schaltung wird mit dem Begriff fT bezeichnet, einer Abkürzung für Übergangsfrequenz - die Übergangsfrequenz ist die Frequenz, bei der der Transistor eine einheitliche Spannungsverstärkung aufweist)
• Anwendung: Schalter, allgemeine Anwendungen, Audio, Hochspannung, Super-Beta, Matched Pair.
• Gehäuse: Metall mit Durchgangsbohrung, Kunststoff mit Durchgangsbohrung, Oberflächenmontage, Kugelgitteranordnung, Leistungsmodule (siehe Gehäuse).
• Verstärkungsfaktor h_FE, β_F (Transistor-Beta) oder g_m (Transkonduktanz).
• Arbeitstemperatur: Extremtemperatur-Transistoren und herkömmliche Temperatur-Transistoren (-55 bis 150 °C). Zu den Extremtemperatur-Transistoren gehören Hochtemperatur-Transistoren (über 150 °C) und Niedertemperatur-Transistoren (unter -55 °C). Die Hochtemperaturtransistoren, die bis zu 250 °C thermisch stabil arbeiten, können durch eine allgemeine Strategie entwickelt werden, bei der interpenetrierende teilkristalline konjugierte Polymere und isolierende Polymere mit hoher Glasübergangstemperatur gemischt werden. ⓘ

Daher kann ein bestimmter Transistor als Silizium-, Oberflächenmontage-, BJT-, NPN-, Niedrigleistungs- und Hochfrequenzschalter beschrieben werden. ⓘ

Gedächtnishilfen

Um sich die Art des Transistors (dargestellt durch ein elektrisches Symbol) zu merken, ist die Richtung des Pfeils hilfreich. Beim BJT zeigt der Pfeil bei einem n-p-n-Transistorsymbol nicht in Richtung iN". Bei einem p-n-p-Transistorsymbol zeigt der Pfeil "Proudly iN". Dies gilt jedoch nicht für MOSFET-basierte Transistorsymbole, da der Pfeil in der Regel umgekehrt ist (d. h. der Pfeil für den n-p-n-Transistor zeigt nach innen). ⓘ

Feldeffekttransistor (FET)

Funktionsweise eines FET und seine Id-Vg-Kurve. Wenn keine Gatespannung angelegt wird, befinden sich zunächst keine Inversionselektronen im Kanal, so dass das Gerät ausgeschaltet ist. Mit zunehmender Gate-Spannung steigt die Dichte der Inversionselektronen im Kanal, der Strom nimmt zu, und das Bauelement schaltet sich ein. ⓘ

Der Feldeffekttransistor, der manchmal auch als unipolarer Transistor bezeichnet wird, verwendet entweder Elektronen (im n-Kanal-FET) oder Löcher (im p-Kanal-FET) zur Leitung. Die vier Anschlüsse des FETs werden als Source, Gate, Drain und Body (Substrat) bezeichnet. Bei den meisten FETs ist der Body innerhalb des Gehäuses mit der Source verbunden, wovon wir in der folgenden Beschreibung ausgehen werden. ⓘ

In einem FET fließt der Drain-zu-Source-Strom über einen leitenden Kanal, der den Source-Bereich mit dem Drain-Bereich verbindet. Die Leitfähigkeit wird durch das elektrische Feld verändert, das beim Anlegen einer Spannung zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss entsteht, so dass der zwischen Drain und Source fließende Strom durch die zwischen Gate und Source angelegte Spannung gesteuert wird. Wenn die Gate-Source-Spannung (V_GS) erhöht wird, steigt der Drain-Source-Strom (I_DS) bei V_GS unterhalb des Schwellenwerts exponentiell an und dann mit einer etwa quadratischen Rate: (I_DS ∝ (V_GS - VT)², wobei VT die Schwellenspannung ist, bei der der Drain-Strom beginnt) im "raumladungsbegrenzten" Bereich über dem Schwellenwert. Ein quadratisches Verhalten wird bei modernen Bauelementen, z. B. beim 65-nm-Technologieknoten, nicht beobachtet. ⓘ

Für geringes Rauschen bei schmaler Bandbreite ist der höhere Eingangswiderstand des FET von Vorteil. ⓘ

FETs werden in zwei Familien unterteilt: Sperrschicht-FETs (JFET) und Isolierschicht-FETs (IGFET). Der IGFET ist allgemein als Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET) bekannt, was auf seine ursprüngliche Konstruktion aus Schichten von Metall (dem Gate), Oxid (der Isolierung) und Halbleiter hinweist. Im Gegensatz zu IGFETs bildet das JFET-Gate eine p-n-Diode mit dem Kanal, der zwischen der Source und den Drains liegt. Funktionell ist der n-Kanal-JFET damit das Festkörperäquivalent zur Röhrentriode, die ebenfalls eine Diode zwischen Gitter und Kathode bildet. Außerdem arbeiten beide Bauelemente im Verarmungsmodus, haben beide eine hohe Eingangsimpedanz und leiten Strom unter der Kontrolle einer Eingangsspannung. ⓘ

Metall-Halbleiter-FETs (MESFETs) sind JFETs, bei denen der in Sperrichtung vorgespannte p-n-Übergang durch einen Metall-Halbleiter-Übergang ersetzt ist. Diese und die HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren oder HFETs), bei denen ein zweidimensionales Elektronengas mit sehr hoher Ladungsträgerbeweglichkeit für den Ladungstransport verwendet wird, sind besonders für den Einsatz bei sehr hohen Frequenzen (mehrere GHz) geeignet. ⓘ

FETs werden weiter in Verarmungsmodus und Anreicherungsmodus unterteilt, je nachdem, ob der Kanal bei einer Gate-Source-Spannung von Null ein- oder ausgeschaltet ist. Im Anreicherungsmodus ist der Kanal bei einer Vorspannung von Null ausgeschaltet, und ein Gate-Potenzial kann die Leitfähigkeit "verstärken". Im Verarmungsmodus ist der Kanal bei einer Vorspannung von Null eingeschaltet, und ein Gate-Potenzial (mit entgegengesetzter Polarität) kann den Kanal "verarmen" und die Leitfähigkeit verringern. In beiden Modi entspricht eine positivere Gate-Spannung einem höheren Strom für n-Kanal-Bauelemente und einem niedrigeren Strom für p-Kanal-Bauelemente. Fast alle JFETs sind im Verarmungsmodus, da die Diodenübergänge in Durchlassrichtung vorgespannt und leitend wären, wenn sie im Anreicherungsmodus arbeiten würden, während die meisten IGFETs im Anreicherungsmodus arbeiten. ⓘ

Schaltsymbole von JFETs

n-Kanal

p-Kanal ⓘ

Auch JFETs gibt es in zwei Arten: n-Kanal und p-Kanal. Im Schaltsymbol wird bei einem n-Kanal der Pfeil zu dem Transistor gezeichnet und auf dem Gate-Anschluss eingezeichnet, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Beim p-Kanal-Typ ist die Pfeilrichtung umgekehrt. Sperrschicht-FETs finden wegen der etwas komplizierteren Ansteuerung nur in speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Mikrofonverstärkern, Anwendung. ⓘ

Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET)

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET, MOS-FET oder MOS-FET), auch Metall-Oxid-Silizium-Transistor (MOS-Transistor oder MOS) genannt, ist ein Feldeffekttransistor, der durch kontrollierte Oxidation eines Halbleiters, in der Regel Silizium, hergestellt wird. Er hat ein isoliertes Gate, dessen Spannung die Leitfähigkeit des Bauelements bestimmt. Diese Fähigkeit, die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zu ändern, kann zur Verstärkung oder zum Schalten elektronischer Signale genutzt werden. Der MOSFET ist der bei weitem häufigste Transistor und der Grundbaustein der meisten modernen Elektronik. Der MOSFET macht 99,9 % aller Transistoren auf der Welt aus. ⓘ

Bipolarer Sperrschichttransistor (BJT)

Bipolartransistoren heißen so, weil sie sowohl mit Majoritäts- als auch mit Minoritätsträgern leiten. Der Bipolartransistor, der erste in Massenproduktion hergestellte Transistortyp, ist eine Kombination aus zwei Übergangsdioden und wird entweder aus einer dünnen Schicht eines p-Halbleiters zwischen zwei n-Halbleitern (n-p-n-Transistor) oder aus einer dünnen Schicht eines n-Halbleiters zwischen zwei p-Halbleitern (p-n-p-Transistor) gebildet. Bei diesem Aufbau entstehen zwei p-n-Übergänge: ein Basis-Emitter- und ein Basis-Kollektor-Übergang, die durch einen dünnen Halbleiterbereich, den sogenannten Basisbereich, getrennt sind. (Zwei zusammengeschaltete Sperrschichtdioden ohne gemeinsamen Halbleiterbereich ergeben keinen Transistor). ⓘ

BJTs haben drei Anschlüsse, die den drei Schichten des Halbleiters entsprechen: einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor. Sie eignen sich für Verstärker, da die Ströme an Emitter und Kollektor durch einen relativ kleinen Basisstrom gesteuert werden können. In einem n-p-n-Transistor, der im aktiven Bereich arbeitet, ist der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt (Elektronen und Löcher rekombinieren am Übergang), während der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist (Elektronen und Löcher werden am Übergang gebildet und bewegen sich von ihm weg), und Elektronen werden in den Basisbereich injiziert. Da die Basis schmal ist, diffundieren die meisten dieser Elektronen in den in Sperrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Übergang und werden in den Kollektor geschleudert; vielleicht ein Hundertstel der Elektronen rekombiniert in der Basis, was der dominierende Mechanismus für den Basisstrom ist. Da die Basis (im Vergleich zum Emitter- und Kollektorbereich) nur gering dotiert ist, sind die Rekombinationsraten niedrig, so dass mehr Ladungsträger durch den Basisbereich diffundieren können. Durch die Kontrolle der Anzahl der Elektronen, die die Basis verlassen können, kann die Anzahl der Elektronen, die in den Kollektor eintreten, kontrolliert werden. Der Kollektorstrom ist etwa das β-fache des Basisstroms (Stromverstärkung durch den gemeinsamen Emitter). Er ist bei Kleinsignaltransistoren in der Regel größer als 100, kann aber bei Transistoren, die für Hochleistungsanwendungen konzipiert sind, kleiner sein. ⓘ

Im Gegensatz zum Feldeffekttransistor (siehe unten) ist der BJT ein Bauelement mit niedriger Eingangsimpedanz. Wenn die Basis-Emitter-Spannung (V_BE) erhöht wird, steigt der Basis-Emitter-Strom und damit auch der Kollektor-Emitter-Strom (I_CE) gemäß dem Shockley-Diodenmodell und dem Ebers-Moll-Modell exponentiell an. Aufgrund dieser exponentiellen Beziehung hat der BJT eine höhere Transkonduktanz als der FET. ⓘ

Bipolare Transistoren können durch Lichteinwirkung zum Leiten gebracht werden, da die Absorption von Photonen im Basisbereich einen Photostrom erzeugt, der als Basisstrom wirkt; der Kollektorstrom ist etwa β-mal so groß wie der Photostrom. Die für diesen Zweck entwickelten Bauelemente haben ein transparentes Fenster im Gehäuse und werden als Fototransistoren bezeichnet. ⓘ

Analoge Schaltungstechnik

In der analogen Schaltungstechnik finden sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren in Schaltungen wie dem Operationsverstärker, Signalgeneratoren oder als hochgenaue Referenzspannungsquelle Anwendung. Als Schnittstelle zu digitalen Anwendungen fungieren Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer. Die Schaltungen sind dabei im Umfang wesentlich kleiner. Die Anzahl der Transistoren pro Chip bewegen sich im Bereich von einigen 100 bis zu einigen 10.000 Transistoren. ⓘ

In Transistorschaltungen zur Signalverarbeitung wie Vorverstärker ist das Rauschen eine wesentliche Störgröße. Es spielt dabei vor allem das thermische Rauschen, das Schrotrauschen sowie das 1/f-Rauschen eine Rolle. Bei dem MOS-Feldeffekttransistor ist das 1/f-Rauschen bereits unter ca. 1 MHz besonders groß. Das unterschiedliche Rauschverhalten bestimmt ebenfalls die möglichen Einsatzbereiche der Transistortypen, beispielsweise in Niederfrequenzverstärkern oder in speziellen rauscharmen Hochfrequenzumsetzern. ⓘ

In der analogen Schaltungstechnik werden auch heute noch diskrete Transistoren unterschiedlichen Typs eingesetzt und mit anderen elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten verbunden, so es für diese Anforderungen noch keine fertigen integrierten Schaltungen bzw. Schaltungsteile gibt. Ein weiterer Einsatzbereich für den Einsatz diskreter Transistorschaltungen liegt im qualitativ höheren Segment der Audiotechnik. ⓘ

Der MOSFET ist der bei weitem am häufigsten verwendete Transistor sowohl für digitale als auch für analoge Schaltungen und macht 99,9 % aller Transistoren auf der Welt aus. Der bipolare Sperrschichttransistor (BJT) war in den 1950er bis 1960er Jahren der am häufigsten verwendete Transistor. Auch nachdem MOSFETs in den 1970er Jahren in großem Umfang verfügbar wurden, blieb der BJT wegen seiner größeren Linearität der Transistor der Wahl für viele analoge Schaltungen wie Verstärker, bis MOSFET-Bauelemente (wie Leistungs-MOSFETs, LDMOS und HF-CMOS) ihn in den 1980er Jahren für die meisten leistungselektronischen Anwendungen ablösten. Im Bereich der integrierten Schaltungen konnten MOSFETs aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften in den 1970er Jahren fast den gesamten Marktanteil für digitale Schaltungen erobern. Diskrete MOSFETs (in der Regel Leistungs-MOSFETs) können in Transistoranwendungen eingesetzt werden, z. B. in Analogschaltungen, Spannungsreglern, Verstärkern, Leistungsübertragern und Motortreibern. ⓘ

Transistoren werden heutzutage in nahezu allen elektronischen Schaltungen verwendet. Der Einsatz als einzelnes (diskretes) Bauelement spielt dabei eine nebensächliche Rolle. Sogar in der Leistungselektronik werden zunehmend mehrere Transistoren auf einem Substrat gefertigt; dies geschieht hauptsächlich aus Kostengründen. ⓘ

Eine ältere Typisierung von Transistoren erfolgte nach den Einsatzgebieten:

• Kleinsignaltransistoren – einfache, ungekühlte Transistoren für analoge NF-Technik für Leistungen bis ca. 1 W
• Leistungstransistoren – robuste, kühlbare Transistoren für Leistungen oberhalb 1 W
• Hochfrequenztransistoren – Transistoren für Frequenzen oberhalb 100 kHz, bei Frequenzen jenseits der 100 MHz wird auch die äußere Gestaltung beispielsweise in Streifenleitertechnik ausgeführt
• Schalttransistoren – Transistoren mit günstigem Verhältnis von Durchlass- zu Sperrstrom, bei denen die Kennlinie nicht besonders linear zu sein braucht, in Varianten für kleine und für große Leistungen. Bipolare Transistoren im Kleinleistungsbereich mit integrierten Vorschaltwiderständen werden auch als Digitaltransistor bezeichnet. ⓘ

Differenziert wird inzwischen noch mehr nach dem Anwendungsgebiet. Die Maßstäbe haben sich ebenfalls verschoben, die Grenze von 100 kHz für HF-Transistoren würde heute ca. um den Faktor 1000 höher angesetzt werden. ⓘ

Andere Transistortypen

Transistorsymbol auf portugiesischem Pflaster an der Universität von Aveiro ⓘ

• Feldeffekttransistor (FET):
  • Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), bei dem das Gate durch eine flache Isolierschicht isoliert ist
    • p-Typ-MOS (PMOS)
    • n-Typ-MOS (NMOS)
    • Komplementär-MOS (CMOS)
      • RF CMOS, für die Leistungselektronik
    • Multi-Gate-Feldeffekttransistor (MuGFET)
      • Fin-Feldeffekttransistor (FinFET), Source-/Drain-Bereich bildet Rippen auf der Siliziumoberfläche
      • GAAFET, ähnlich wie FinFET, jedoch werden Nanodrähte anstelle von Finnen verwendet, die Nanodrähte sind vertikal gestapelt und an 4 Seiten vom Gate umgeben
      • MBCFET, eine Variante des GAAFET, bei der Nanoblätter anstelle von Nanodrähten verwendet werden, hergestellt von Samsung
    • Dünnschichttransistor, verwendet in LCD- und OLED-Displays
    • Floating-Gate-MOSFET (FGMOS), für nichtflüchtige Speicher
    • Leistungs-MOSFET, für die Leistungselektronik
      • Lateral diffundierter MOS (LDMOS)
  • Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistor (CNFET), bei dem das Kanalmaterial durch eine Kohlenstoff-Nanoröhre ersetzt wird
  • Junction-Gate-Feldeffekttransistor (JFET), bei dem das Gate durch einen in Sperrrichtung vorgespannten p-n-Übergang isoliert ist
  • Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET), ähnlich dem JFET mit einem Schottky- statt einem p-n-Übergang
    • Hochelektronen-Mobilitätstransistor (HEMT)
  • Inverted-T-Feldeffekttransistor (ITFET)
  • Fast-Reverse-Epitaxie-Dioden-Feldeffekttransistor (FREDFET)
  • Organischer Feldeffekttransistor (OFET), bei dem der Halbleiter eine organische Verbindung ist
  • Ballistischer Transistor (Disambiguierung)
  • FETs, die zur Erfassung der Umgebung verwendet werden
    • Ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET), zur Messung von Ionenkonzentrationen in Lösungen,
    • Elektrolyt-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (EOSFET), Neurochip,
    • Desoxyribonukleinsäure-Feldeffekttransistor (DNAFET).
• Bipolarer Sperrschichttransistor (BJT):
  • Bipolartransistor mit Heteroübergang, bis zu mehreren hundert GHz, üblich in modernen ultraschnellen und HF-Schaltungen
  • Schottky-Transistor
  • Avalanche-Transistor
  • Darlington-Transistoren sind zwei zusammengeschaltete BJTs, die eine hohe Stromverstärkung bieten, die dem Produkt der Stromverstärkungen der beiden Transistoren entspricht
  • Bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verwenden einen IGFET mittlerer Leistung, der in ähnlicher Weise mit einem Leistungs-BJT verbunden ist, um eine hohe Eingangsimpedanz zu erzielen. Je nach Verwendungszweck werden häufig Leistungsdioden zwischen bestimmte Anschlüsse geschaltet. IGBTs eignen sich besonders für industrielle Hochleistungsanwendungen. Der ASEA Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 , der für dreiphasige Stromversorgungen vorgesehen ist, beherbergt drei n-p-n-IGBTs in einem Gehäuse von 38 x 140 x 190 mm und einem Gewicht von 1,5 kg. Jeder IGBT hat eine Nennspannung von 1.700 Volt und kann 2.400 Ampere verarbeiten.
  • Fototransistor.
  • Der emittergeschaltete Bipolartransistor (ESBT) ist eine monolithische Konfiguration aus einem Hochspannungs-Bipolartransistor und einem Niederspannungs-Leistungs-MOSFET in Kaskodentopologie. Er wurde von STMicroelectronics in den 2000er Jahren eingeführt und einige Jahre später, etwa 2012, wieder aufgegeben.
  • Mehrfachemittertransistor, der in Transistor-Transistor-Logik und integrierten Stromspiegeln verwendet wird
  • Multiple-Base-Transistor, der zur Verstärkung von Signalen mit sehr niedrigem Pegel in verrauschten Umgebungen wie dem Tonabnehmer eines Plattenspielers oder Radio-Frontends verwendet wird. Es handelt sich um eine sehr große Anzahl parallel geschalteter Transistoren, bei denen am Ausgang das Signal konstruktiv, das Rauschen jedoch nur stochastisch hinzugefügt wird.
• Tunnel-Feldeffekttransistor, der durch Modulation des Quantentunnelns durch eine Barriere schaltet.
• Diffusionstransistor, der durch Diffusion von Dotierstoffen in das Halbleitersubstrat entsteht; kann sowohl ein BJT als auch ein FET sein.
• Unijunction-Transistor, kann als einfacher Impulsgenerator verwendet werden. Er besteht aus einem Hauptkörper aus einem p- oder n-Halbleiter mit ohmschen Kontakten an beiden Enden (Anschlüsse Base1 und Base2). Für den dritten Anschluss (Emitter) wird an einer Stelle entlang des Körpers ein Übergang mit dem entgegengesetzten Halbleitertyp gebildet.
• Einzelelektronentransistoren (SET), bestehen aus einer Gate-Insel zwischen zwei Tunnelübergängen. Der Tunnelstrom wird durch eine Spannung gesteuert, die über einen Kondensator an das Gate angelegt wird.
• Nanofluidik-Transistor, steuert die Bewegung von Ionen durch submikroskopische, wassergefüllte Kanäle.
• Multigate-Bauteile:
  • Tetroden-Transistor
  • Pentoden-Transistor
  • Trigate-Transistor (Prototyp von Intel)
  • Dual-Gate-Feldeffekttransistoren haben einen einzigen Kanal mit zwei Gates in Kaskode, eine Konfiguration, die für Hochfrequenzverstärker, Mischer und Oszillatoren optimiert ist.
• Verbindungsloser Nanodrahttransistor (JNT), verwendet einen einfachen Nanodraht aus Silizium, der von einem elektrisch isolierten "Ehering" umgeben ist, der als Gate für den Elektronenfluss durch den Draht dient.
• Vakuum-Kanal-Transistor: 2012 wurde berichtet, dass die NASA und das National Nanofab Center in Südkorea den Prototyp eines Vakuum-Kanal-Transistors mit einer Größe von nur 150 Nanometern gebaut haben. Er kann kostengünstig mit Standard-Silizium-Halbleiterprozessen hergestellt werden, kann mit hohen Geschwindigkeiten auch in feindlichen Umgebungen arbeiten und könnte genauso viel Strom verbrauchen wie ein Standard-Transistor.
• Organischer elektrochemischer Transistor.
• Solaristor (von Solarzellentransistor), ein selbstversorgter Fototransistor mit zwei Anschlüssen und ohne Gate. ⓘ

Identifizierung von Bauelementen

Zur Kennzeichnung von Transistoren werden drei wichtige Standards verwendet. Bei jeder dieser Normen gibt das alphanumerische Präfix Aufschluss über den Typ des Geräts. ⓘ

Gemeinsamer Rat für Elektronenbauelemente (JEDEC)

Das JEDEC-Bauteilnummerierungsschema entstand in den 1960er Jahren in den Vereinigten Staaten. Die JEDEC EIA-370 Transistor-Bauteilnummern beginnen in der Regel mit 2N, was auf ein Bauteil mit drei Anschlüssen hinweist. Dual-Gate-Feldeffekttransistoren sind Bauteile mit vier Anschlüssen und beginnen mit 3N. Auf die Vorsilbe folgt eine zwei-, drei- oder vierstellige Zahl, die keine Bedeutung für die Bauelementeigenschaften hat, obwohl frühe Bauelemente mit niedrigen Zahlen in der Regel Germanium-Bauelemente sind. So ist z. B. 2N3055 ein n-p-n-Leistungstransistor aus Silizium, 2N1301 ein p-n-p-Schalttransistor aus Germanium. Ein Buchstabensuffix, wie z. B. "A", wird manchmal verwendet, um eine neuere Variante zu kennzeichnen, aber selten, um Gruppierungen zu gewinnen. ⓘ

JEDEC-Präfix-Tabelle ⓘ

Vorsilbe	Typ und Verwendung
1N	Bauelement mit zwei Anschlüssen, wie z. B. Dioden
2N	Bauelement mit drei Anschlüssen, z. B. Transistoren oder Ein-Gate-Feldeffekttransistoren
3N	Vierpoliges Bauelement, z. B. Dual-Gate-Feldeffekttransistoren

Japanischer Industriestandard (JIS)

In Japan kennzeichnet die JIS-Halbleiterbezeichnung (|JIS-C-7012) Transistorbauelemente, die mit 2S beginnen, z. B. 2SD965, aber manchmal ist das Präfix "2S" nicht auf der Verpackung angegeben - ein 2SD965 könnte nur mit D965 gekennzeichnet sein und ein 2SC1815 könnte von einem Lieferanten einfach als C1815 aufgeführt sein. Diese Serie hat manchmal Suffixe wie R, O, BL, die für rot, orange, blau usw. stehen, um Varianten wie engere h_FE-Gruppen (Verstärkung) zu kennzeichnen. ⓘ

JIS-Transistor-Präfix-Tabelle ⓘ

Vorsilbe	Typ und Verwendung
2SA	Hochfrequenz-p-n-p-BJT
2SB	Audio-Frequenz p-n-p BJT
2SC	Hochfrequenz-n-p-n-BJT
2SD	Ton-Frequenz n-p-n BJT
2SJ	P-Kanal-FET (sowohl JFET als auch MOSFET)
2SK	N-Kanal-FET (sowohl JFET als auch MOSFET)

Europäischer Verband der Hersteller elektronischer Bauelemente (EECA)

Die European Electronic Component Manufacturers Association (EECA) verwendet ein Nummerierungsschema, das von Pro Electron geerbt wurde, als diese sich 1983 mit der EECA zusammenschloss. Dieses Schema beginnt mit zwei Buchstaben: Der erste gibt den Halbleitertyp an (A für Germanium, B für Silizium und C für Materialien wie GaAs); der zweite Buchstabe steht für den Verwendungszweck (A für Diode, C für Allzwecktransistor usw.). Es folgt eine dreistellige fortlaufende Nummer (oder ein Buchstabe und zwei Ziffern für industrielle Typen). Bei den frühen Geräten wird damit der Gehäusetyp angegeben. Es können Suffixe mit einem Buchstaben verwendet werden (z. B. bedeutet "C" oft hohe h_FE, wie in: BC549C), oder es können andere Codes folgen, um die Verstärkung (z. B. BC327-25) oder die Nennspannung (z. B. BUK854-800A) anzugeben. Die gebräuchlichsten Präfixe sind:

EECA-Transistor-Präfix-Tabelle ⓘ

Vorsilbe	Typ und Verwendung	Beispiel	Äquivalent	Referenz
AC	Germanium, Kleinsignal-NF-Transistor	AC126	NTE102A
AD	Germanium, AF-Leistungstransistor	AD133	NTE179
AF	Germanium, Kleinsignal-RF-Transistor	AF117	NTE160
AL	Germanium, RF-Leistungstransistor	ALZ10	NTE100
AS	Germanium, Schalttransistor	ASY28	NTE101
AU	Germanium, Leistungsschalttransistor	AU103	NTE127
BC	Silizium, Kleinsignaltransistor ("general purpose")	BC548	2N3904	Datenblatt
BD	Silizium, Leistungstransistor	BD139	NTE375	Datenblatt
BF	Silizium, RF (Hochfrequenz) BJT oder FET	BF245	NTE133	Datenblatt
BS	Silizium, Schalttransistor (BJT oder MOSFET)	BS170	2N7000	Datenblatt
BL	Silizium, Hochfrequenz, hohe Leistung (für Transmitter)	BLW60	NTE325	Datenblatt
BU	Silizium, Hochspannung (für CRT-Horizontalablenkungsschaltungen)	BU2520A	NTE2354	Datenblatt
CF	Galliumarsenid, Kleinsignal-Mikrowellentransistor (MESFET)	CF739	—	Datenblatt
CL	Galliumarsenid, Mikrowellen-Leistungstransistor (FET)	CLY10	—	Datenblatt

Proprietär

Hersteller von Bauelementen können ihr eigenes Nummerierungssystem haben, z. B. CK722. Da die Bauelemente aus zweiter Hand stammen, ist das Präfix des Herstellers (wie "MPF" in MPF102, das ursprünglich einen Motorola-FET bezeichnete) heute ein unzuverlässiger Indikator dafür, wer das Bauelement hergestellt hat. Einige proprietäre Bezeichnungsschemata übernehmen Teile anderer Bezeichnungsschemata, z. B. ist ein PN2222A ein (möglicherweise von Fairchild Semiconductor) 2N2222A in einem Kunststoffgehäuse (aber ein PN108 ist eine Kunststoffversion eines BC108, nicht eines 2N108, während das PN100 nichts mit anderen xx100-Geräten zu tun hat). ⓘ

Militärischen Teilenummern werden manchmal eigene Codes zugewiesen, wie z. B. das British Military CV Naming System. ⓘ

Hersteller, die eine große Anzahl ähnlicher Teile kaufen, können diese mit "Hausnummern" versehen, die eine bestimmte Einkaufsspezifikation kennzeichnen und nicht unbedingt ein Gerät mit einer standardisierten registrierten Nummer. Ein HP-Bauteil 1854.0053 ist beispielsweise ein (JEDEC) 2N2218-Transistor, dem auch die CV-Nummer zugewiesen ist: CV7763 ⓘ

Probleme bei der Benennung

Bei so vielen unabhängigen Bezeichnungsschemata und der Abkürzung von Teilenummern, die auf den Geräten aufgedruckt sind, kommt es manchmal zu Unklarheiten. So können zum Beispiel zwei verschiedene Bauelemente mit "J176" bezeichnet sein (das eine ist der J176 Low-Power-JFET, das andere der leistungsstärkere MOSFET 2SJ176). ⓘ

Da ältere "Durchsteck-Transistoren" in ein Oberflächengehäuse umgewandelt werden, erhalten sie in der Regel viele verschiedene Teilenummern, da die Hersteller ihre Systeme so gestalten, dass sie mit der Vielfalt an Anschlussanordnungen und Optionen für doppelte oder gemischte n-p-n- und p-n-p-Bauelemente in einer Packung zurechtkommen. Selbst wenn also das ursprüngliche Bauelement (z. B. ein 2N3904) von einer Normungsbehörde zugewiesen wurde und den Ingenieuren über Jahre hinweg gut bekannt ist, sind die neuen Versionen in ihrer Namensgebung bei weitem nicht standardisiert. ⓘ

Aufbau

Halbleitermaterial

Eigenschaften des Halbleitermaterials ⓘ

Halbleiter material	Sperrschicht Durchlass Spannung bei 25 °C, V	Elektronenbeweglichkeit @ 25 °C, m2/(V-s)	Mobilität der Löcher @ 25 °C, m2/(V-s)	Max. Sperrschicht Temp., °C
Ge	0.27	0.39	0.19	70 bis 100
Si	0.71	0.14	0.05	150 bis 200
GaAs	1.03	0.85	0.05	150 bis 200
Al-Si-Übergang	0.3	—	—	150 bis 200

Die ersten BJTs wurden aus Germanium (Ge) hergestellt. Derzeit überwiegen Siliziumtypen (Si), aber bestimmte fortgeschrittene Mikrowellen- und Hochleistungsversionen verwenden jetzt das Verbindungshalbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) und die Halbleiterlegierung Silizium-Germanium (SiGe). Einzelelement-Halbleitermaterial (Ge und Si) wird als elementar bezeichnet. ⓘ

Grobe Parameter für die gebräuchlichsten Halbleitermaterialien, die zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, sind in der nebenstehenden Tabelle aufgeführt. Diese Parameter ändern sich mit zunehmender Temperatur, elektrischem Feld, Verunreinigungsgrad, Dehnung und verschiedenen anderen Faktoren. ⓘ

Die Sperrschicht-Vorwärtsspannung ist die Spannung, die an den Emitter-Basis-Übergang eines BJT angelegt wird, damit die Basis einen bestimmten Strom leitet. Der Strom nimmt exponentiell zu, wenn die Sperrschichtdurchlassspannung erhöht wird. Die in der Tabelle angegebenen Werte sind typisch für einen Strom von 1 mA (die gleichen Werte gelten für Halbleiterdioden). Je niedriger die Sperrschicht-Durchlassspannung ist, desto besser, denn dies bedeutet, dass weniger Strom benötigt wird, um den Transistor "anzutreiben". Die Sperrschicht-Durchlassspannung für einen bestimmten Strom nimmt mit steigender Temperatur ab. Für eine typische Silizium-Sperrschicht beträgt die Änderung -2,1 mV/°C. In einigen Schaltungen müssen spezielle Kompensationselemente (Sensistoren) verwendet werden, um solche Änderungen auszugleichen. ⓘ

Die Dichte der beweglichen Ladungsträger im Kanal eines MOSFET ist eine Funktion des elektrischen Feldes, das den Kanal bildet, und verschiedener anderer Phänomene, wie z. B. des Störstellenniveaus im Kanal. Einige Verunreinigungen, so genannte Dotierstoffe, werden bei der Herstellung eines MOSFET absichtlich eingeführt, um das elektrische Verhalten des MOSFET zu steuern. ⓘ

Die Spalten Elektronenbeweglichkeit und Lochbeweglichkeit zeigen die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der Elektronen und Löcher durch das Halbleitermaterial diffundieren, wenn ein elektrisches Feld von 1 Volt pro Meter an das Material angelegt wird. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Elektronenbeweglichkeit, desto schneller kann der Transistor arbeiten. Die Tabelle zeigt, dass Ge in dieser Hinsicht ein besseres Material ist als Si. Allerdings hat Ge im Vergleich zu Silizium und Galliumarsenid vier große Schwächen:

1. Seine maximale Temperatur ist begrenzt.
2. Es hat einen relativ hohen Leckstrom.
3. Es kann keine hohen Spannungen verkraften.
4. Es ist weniger geeignet für die Herstellung integrierter Schaltungen.

Da die Elektronenbeweglichkeit bei allen Halbleitermaterialien höher ist als die Löchermobilität, ist ein bestimmter bipolarer n-p-n-Transistor tendenziell schneller als ein entsprechender p-n-p-Transistor. GaAs hat von den drei Halbleitern die höchste Elektronenbeweglichkeit. Aus diesem Grund wird GaAs in Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Eine relativ neue FET-Entwicklung, der High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT), hat eine Heterostruktur (Übergang zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien) aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs)-Gallium-Arsenid (GaAs), die eine doppelt so hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist wie ein GaAs-Metallbarrieren-Übergang. Wegen ihrer hohen Geschwindigkeit und ihres geringen Rauschens werden HEMTs in Satellitenempfängern eingesetzt, die bei Frequenzen um 12 GHz arbeiten. HEMTs auf der Basis von Galliumnitrid und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN/GaN-HEMTs) bieten eine noch höhere Elektronenbeweglichkeit und werden für verschiedene Anwendungen entwickelt. ⓘ

Die Werte für die maximale Sperrschichttemperatur sind ein Querschnitt aus den Datenblättern der verschiedenen Hersteller. Diese Temperatur sollte nicht überschritten werden, da sonst der Transistor beschädigt werden kann. ⓘ

Al-Si-Übergang bezieht sich auf die Hochgeschwindigkeits-Metall-Halbleiter-Barriere-Diode (Aluminium-Silizium), die allgemein als Schottky-Diode bekannt ist. Sie ist in der Tabelle enthalten, weil einige Silizium-IGFETs eine parasitäre Schottky-Diode in Sperrrichtung aufweisen, die als Teil des Herstellungsprozesses zwischen Source und Drain gebildet wird. Diese Diode kann lästig sein, wird aber manchmal in der Schaltung verwendet. ⓘ

Verpackung

Verschiedene diskrete Transistoren ⓘ

Sowjetische KT315b-Transistoren ⓘ

Diskrete Transistoren können einzeln verpackte Transistoren oder unverpackte Transistorchips (Dies) sein. ⓘ

Transistoren gibt es in vielen verschiedenen Halbleitergehäusen (siehe Abbildung). Die beiden Hauptkategorien sind durchkontaktierte (oder bedrahtete) und oberflächenmontierte Transistoren, auch bekannt als SMD-Gehäuse. Das Ball Grid Array (BGA) ist das neueste oberflächenmontierbare Gehäuse. Es hat Lötkugeln" auf der Unterseite anstelle von Anschlüssen. Da sie kleiner sind und kürzere Verbindungen haben, weisen SMDs bessere Hochfrequenzeigenschaften, aber geringere Leistungswerte auf. ⓘ

Transistorgehäuse werden aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff hergestellt. Das Gehäuse bestimmt häufig die Nennleistung und die Frequenzeigenschaften. Leistungstransistoren haben größere Gehäuse, die zur besseren Kühlung an Kühlkörper geklemmt werden können. Außerdem ist bei den meisten Leistungstransistoren der Kollektor oder Drain physisch mit dem Metallgehäuse verbunden. Im Gegensatz dazu sind einige oberflächenmontierbare Mikrowellentransistoren so klein wie Sandkörner. ⓘ

Oft ist ein bestimmter Transistortyp in mehreren Gehäusen erhältlich. Die Gehäuse von Transistoren sind größtenteils genormt, aber die Zuordnung der Funktionen eines Transistors zu den Anschlüssen ist es nicht: Andere Transistortypen können den Anschlüssen des Gehäuses andere Funktionen zuweisen. Selbst bei ein und demselben Transistortyp kann die Anschlussbelegung variieren (in der Regel durch einen Zusatzbuchstaben zur Teilenummer angegeben, z. B. BC212L und BC212K). ⓘ

Heutzutage gibt es die meisten Transistoren in einer Vielzahl von SMT-Gehäusen, im Vergleich dazu ist die Liste der verfügbaren Durchgangsloch-Gehäuse relativ klein. Hier ist eine kurze Liste der gängigsten Durchgangsloch-Transistor-Gehäuse in alphabetischer Reihenfolge: ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851. ⓘ

Ungepackte Transistorchips (Die) können zu Hybridbauteilen zusammengesetzt werden. Das IBM SLT-Modul aus den 1960er Jahren ist ein Beispiel für einen solchen Hybridschaltkreis mit passivierten Transistor- (und Dioden-) Chips aus Glas. Andere Verpackungstechniken für diskrete Transistoren in Form von Chips sind Direct Chip Attach (DCA) und Chip-on-Board (COB). ⓘ

Flexible Transistoren

Forscher haben mehrere Arten von flexiblen Transistoren hergestellt, darunter auch organische Feldeffekttransistoren. Flexible Transistoren sind für einige Arten von flexiblen Displays und andere flexible Elektronik nützlich. ⓘ

Bauformen

Im Laufe der Geschichte der Mikroelektronik wurde – im Hinblick auf den funktionalen inneren Aufbau – eine Vielzahl von Transistorbauformen entwickelt, die sich vor allem in der Herstellung der pn-Übergänge und der Anordnung der dotierten Bereiche unterscheiden. Der erste praktisch realisierte Transistor war 1947 der Spitzentransistor. Darauf folgten zahlreiche Versuche, die Herstellung einfacher und somit auch günstiger zu machen. Wichtige Bauformen bipolarer Einzel-Transistoren sind: der gezogene Transistor, der Legierungstransistor, der Drifttransistor, der Diffusionstransistor, der diffundiert-legierte Mesatransistor, der Epitaxialtransistor und der Overlay-Transistor. Die wohl wichtigste Bauform ist jedoch der 1960 von Jean Hoerni entwickelte Planartransistor, der sowohl einen wirksamen Schutz des sensiblen pn-Übergangs als auch eine parallele Massenfertigung auf einem Substrat (Wafer) erlaubte – was die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen (ICs) wesentlich beeinflusste. ⓘ

Doppeltransistor aus den 1970ern ⓘ

Für u. a. Differenzverstärker ist es wichtig, dass deren beide Eingangstransistoren möglichst isotherm betrieben werden. Unter anderem dafür werden Doppeltransistoren hergestellt, zwei Transistoren in einem Gehäuse. Auf dem nebenstehenden Bild deutlich erkennbar sind die einzelnen Transistoren auf einem kleinen Messingplättchen, die wiederum auf einem keramischen und elektrisch isolierenden Bock liegen. Moderne Typen in SO-Gehäusen basieren teilweise auf zwei Transistoren auf einem Die, auch gibt es integrierte Transistorarrays (z. B. CA 3086) oder vollkommen integrierte Differenzverstärker in Form von Operationsverstärkern und Komparatoren. ⓘ

Die erst später praktisch realisierten Feldeffekttransistoren können in ähnlich vielen Bauformen realisiert werden. Die wichtigsten Formen sind der planare Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, der Nanodrahttransistor sowie der FinFET. ⓘ

Ging es in der Anfangsphase der Mikroelektronik noch darum, überhaupt funktionsfähige Transistoren mit guten elektrischen Eigenschaften herzustellen, so wurden später zunehmend Bauformen für spezielle Anwendungen und Anforderungen entwickelt, beispielsweise Hochfrequenz-, Leistungs- und Hochspannungstransistoren. Diese Unterteilung gilt sowohl für Bipolar- als auch für Feldeffekttransistoren. Für einige Anwendungen wurden auch spezielle Transistortypen entwickelt, die typische Eigenschaften der beiden Haupttypen vereinen, z. B. der Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). ⓘ

Digitale Schaltungstechnik

Ausgehend von der Zahl der gefertigten Bauelemente ist das Hauptanwendungsgebiet der Transistoren in der Digitaltechnik der Einsatz in integrierten Schaltungen, wie beispielsweise RAM-Speichern, Flash-Speichern, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren und Logikgattern. Dabei befinden sich in hochintegrierten Schaltungen über eine Milliarde Transistoren auf einem Substrat, das meistens aus Silizium besteht und eine Fläche von einigen Quadratmillimetern aufweist. Die im Jahr 2009 noch exponentiell wachsende Steigerungsrate bei der Bauelementeanzahl pro integriertem Schaltkreis wird auch als Mooresches Gesetz bezeichnet. Jeder dieser Transistoren wird dabei als eine Art elektronischer Schalter eingesetzt, um einen Teilstrom in der Schaltung ein- oder auszuschalten. Mit dieser immer höheren Transistoranzahl je Chip wird dessen Speicherkapazität größer oder seine Funktionsvielfalt, indem bei modernen Mikroprozessoren beispielsweise immer mehr Aktivitäten in mehreren Prozessorkernen parallel abgearbeitet werden können. Alles dies steigert in erster Linie die Arbeitsgeschwindigkeit; weil die einzelnen Transistoren innerhalb der Chips dabei aber auch immer kleiner werden, sinkt auch deren jeweiliger Energieverbrauch, so dass die Chips insgesamt auch immer energiesparender (bezogen auf die Arbeitsleistung) werden. ⓘ

Die Größe der Transistoren (Gate-Länge) bei hochintegrierten Chips beträgt im Jahr 2009 oft nur noch wenige Nanometer. So beträgt beispielsweise die Gate-Länge der Prozessoren, die in der sogenannten 45-nm-Technik gefertigt wurden, nur rund 21 nm; Die 45 nm bei der 45-nm-Technik beziehen sich auf die Größe der kleinsten lithographisch fertigbaren Struktur, die sogenannte Feature Size, was in der Regel der unterste Metallkontakt mit den Drain-Source-Gebieten ist. Die Halbleiterunternehmen treiben diese Verkleinerung voran; so stellte Intel im Dezember 2009 die neuen 32-nm-Testchips vor. Neben dem Bereich der Mikroprozessoren und Speicher sind an der Spitze der immer kleineren Strukturgrößen auch Grafikprozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). ⓘ

In nachfolgender Tabelle ist beispielhaft die Anzahl der auf einigen verschiedenen Mikrochips eingesetzten Transistoren und Technologieknoten angegeben:

Mikrochip	Anzahl der Transistoren	Technologie- knoten	Entwicklungs- jahr ⓘ
Intel 4004	2.300	10000 nm	1971
Intel Pentium (P5)	3.100.000	800 nm	1993
Intel Core 2 (Yorkfield) pro Die	410.000.000	45 nm	2007
Intel Itanium 2 Tukwila	2.046.000.000	65 nm	2010
AMD Tahiti XT	4.312.711.873	28 nm	2011
Nvidia Kepler GK110	7.100.000.000	28 nm	2012
AMD Epyc – 32-Kern-Prozessor	19.200.000.000	14 nm	2017

Leistungselektronik

Leistungstransistor vom Typ 2N3055 im TO-3-Gehäuse, durch eine Glimmerscheibe elektrisch isoliert, auf einem Aluminium-Kühlkörper aufgeschraubt ⓘ

Transistoren werden in unterschiedlichen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich von Leistungsverstärkern finden sie sich in Endstufen. Im Bereich der geregelten Stromversorgungen wie bei Schaltnetzteilen finden Leistungs-MOSFETs oder IGBTs Anwendung – sie werden dort als Wechselrichter und synchroner Gleichrichter verwendet. IGBT und Leistungs-MOSFETs dringen zunehmend in Bereiche vor, die bisher größeren Thyristoren vorbehalten waren, bspw. in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen. Der Vorteil der Leistungstransistoren gegenüber Thyristoren ist die Möglichkeit, Transistoren jederzeit ein- oder ausschalten zu können. Herkömmliche Thyristoren können zwar jederzeit eingeschaltet (gezündet) werden, aber nicht bzw. nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand wieder ausgeschaltet werden. Ein Umstand, der vor allem bei Gleichspannungsanwendungen von Nachteil ist. ⓘ

Aufgrund der in der Leistungselektronik auftretenden Verlustleistungen kommen meist größere Transistorgehäuse wie TO-220 oder TO-3 zur Anwendung, die zusätzlich eine gute thermische Verbindung zu Kühlkörpern ermöglichen. ⓘ

Gehäuse und Aussehen

Transistoren haben normalerweise drei Anschlüsse, die als Drähte, Stifte, Bleche typisch nur an einer Seite des Gehäuses parallel herausgeführt werden. Die Lötflächen an SMD-Gehäusen liegen jedoch zumindest an zwei Seiten der Kontur. Insbesondere bei Leistungstransistoren, die fest mit einer Kühlfläche verschraubt werden, kommt es vor, dass der zu verschraubende Metallteil auch einen der drei Transitorenpole elektrisch herausführt, sodass nur zwei (weitere) Pole als Stifte o. Ä. zu finden sind. Kommen hingegen vier Drähte aus dem Gehäuse, kann einer die Funktion „S“ Schirm/Abschirmung haben. Enthält ein Gehäuse mehrere Transistoren, können – vgl. Darlingtontransistor – entsprechend viele Kontakte herausführen. ⓘ

Es gibt individuell ausgesuchte Paare von Exemplaren mit möglichst ähnlichen Eigenschaften zum Einbau in entsprechend anspruchsvolle Schaltungen. Zudem gibt es sogenannte Komplementär-Paare (Typen) mit ähnlichen Eigenschaften, jedoch vertauschter Polarität, also ein npn- und ein pnp-Typ. ⓘ

Der im Inneren unter Umständen filigrane Aufbau des Bauteils wird von einem vergleichsweise robusten Gehäuse gehaltert und zugleich umschlossen. ⓘ

Aufgaben des Gehäuses und der Zuleitungen im Allgemeinen:

• Möglichst dichtes Abschließen:
  • Gasdicht gegen Zutritt von Sauerstoff und anderen chemisch-physikalischen Reagentien, um eine möglichst inerte und saubere Umgebung für die hochreinen Halbleitersubstanzen zu schaffen. Halbleiter können auch mit Isolierschichten beschichtet sein.
  • Lichtdicht
  • Abschirmen gegen ionisierende Strahlung (besonders bedeutsam bei Höhenflug, Raumfahrt, radioaktiv heißen Umgebung)
  • Elektrische und magnetische (Wechsel-)felder
• Geringer Wärmeflußwiderstand für die im Halbleiter (und seinen Zuleitungen) im Betrieb produzierte Wärme hin zum Kühlkörper als Wärmesenke. Gehäuse sind typisch mit Silikon-Wärmeleitpaste gefüllt.
• Seitliche Ableitung von über die elektrischen Kontakte während eines Lötvorgangs ankommende Wärme. Kleine Germaniumtransistoren sind mitunter mit dünnen Anschlussdrähten aus Eisen ausgestattet, die Wärme – aber auch elektrischen Strom – schlechter leiten als Kupfer.
• Durchleitung elektrischer Ströme unter geringem Spannungsabfall und geringer Wärmeerzeugung (Joulsche Wärme). ⓘ

Im Sonderfall des Fototransistors als Sensor soll Licht in den Halbleiter selbst eindringen können. ⓘ

Materialien der Gehäuseschale:

• Glas, geblasen, schwarz lackiert
• Alublech, tiefgezogen
• Bleche aus Kupferwerkstoffen (dünne Kuppel über dicker, gelochter Platte), galvanisiert, verlötet oder verschweißt
• Duroplast ⓘ

Einbettung der Kontakte:

• Glas
• Klebstoff
• Duroplast
• Keramik ⓘ