Bisher haben wir uns in Elektronik 101 und 102 auf Bauteile konzentriert, deren Verhalten durch lineare Beziehungen gut beschrieben werden kann: Leiter, Widerstände, einfache RC-Schaltungen und andere Bauelemente, deren Strom-Spannungs-Eigenschaften vorhersagbar und proportional sind.

Dies ändert sich grundlegend, wenn wir in die Welt der Halbleiter eintreten.

Halbleitermaterialien verhalten sich nicht wie Metalle. Ihre Fähigkeit, Strom zu leiten, kann sich je nach Temperatur, Verunreinigungen, internen elektrischen Feldern und der Struktur des Kristallgitters drastisch ändern. Dieses nichtlineare Verhalten ist kein kleines Detail – es ist die Grundlage der gesamten modernen Elektronik.

Das Verständnis von Halbleitern ist daher unerlässlich, bevor wir uns sinnvoll mit folgenden Themen befassen können: * Dioden, * Transistoren und * die CMOS-Technologie, die Mikroprozessoren und Speicher ermöglicht.

Mit dieser Motivation beginnen wir nun mit Elektronik 103 und werfen einen ersten tieferen Blick auf die Physik und das Verhalten von Halbleitermaterialien.

Nach unserem ersten Einblick in die Elektronik möchten wir nun unser Verständnis von Komponenten wie Dioden und – noch wichtiger – Transistoren und CMOS-Technologie vertiefen. Wir möchten zeigen, dass ein Transistor sowohl als analoges als auch als digitales Gerät fungieren kann, je nachdem, auf welcher Ebene – oder Abstraktionsebene – man ihn betrachtet.

Diese drei Elemente – Kohlenstoff ©, Silizium (Si) und Germanium (Ge) – haben alle vier Valenzelektronen. Dadurch können sie eine stabile tetraedrische Kristallstruktur bilden, in der jedes Atom vier kovalente Bindungen mit seinen Nachbarn eingeht.

Aufgrund dieser Struktur können sich Silizium und Germanium wie Halbleitermaterialien verhalten: Bei niedrigen Temperaturen sind sie schlechte Leiter, aber ihre Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur oder wenn der Kristall durch Zugabe kleiner Mengen dreiwertiger oder fünfwertiger Atome (Dotierung) gezielt modifiziert wird.

Kohlenstoff in seiner Diamantform ist eine idealisierte Referenzstruktur mit derselben tetraedrischen Bindungsgeometrie. Dies verdeutlicht, warum Silizium und Germanium, die dieselbe Valenzkonfiguration aufweisen, die Grundlage aller modernen Halbleiterbauelemente bilden.

Beginnen wir unseren Rundgang durch die Halbleiterbauelemente mit einer kurzen Wiederholung dieses Themas aus „https://wehrend.github.io/pages/prequel-short-introduction-to-electronics[electronics 101]”.

Wenn wir sicherstellen, dass das Halbleitermaterial, hier Silizium, nicht mit dreiwertigen oder fünfwertigen Atomen verunreinigt oder dotiert ist, ist der einzige relevante Faktor die Temperatur. Bei Raumtemperatur (≈ 25 °C) ist intrinsisches Silizium ein sehr schlechter Leiter.

Wenn Silizium mit Atomen dotiert wird, die fünf Valenzelektronen haben (fünfwertige Donatoren), bleibt ein zusätzliches Elektron schwach gebunden und kann leicht in das Leitungsband übergehen. Dadurch entsteht ein n-Typ (negatives) Halbleitermaterial.

Wenn Silizium mit Atomen dotiert wird, die drei Valenzelektronen haben (dreiwertige Akzeptoren), fehlt ein Elektron im Gitter. Dieses „Loch” verhält sich wie ein positiver beweglicher Ladungsträger und erzeugt ein p-Typ (positives) Halbleitermaterial.

Wenn wir n-dotiertes und p-dotiertes Halbleitermaterial zusammenbringen, entsteht ein pn-Übergang. Dieser Übergang zeigt ein sehr interessantes und äußerst nützliches Verhalten: Es entsteht eine Verarmungszone, es entstehen interne elektrische Felder und das Bauelement wird richtungsabhängig. Alle modernen Dioden, Transistoren und CMOS-Strukturen basieren auf diesem grundlegenden Effekt.

Zunächst möchten wir Ihnen eine der einfachsten Schaltungen zeigen, die Ihren Tag (oder Ihre Nacht, Wortspiel beabsichtigt) erhellen wird.

Eine Leuchtdiode (LED) kommt nicht ohne ihren Vorwiderstand aus, der dazu dient, den durch die LED fließenden Strom zu begrenzen. Sie können einen Widerstand von 1 kOhm bis 10 kOhm nehmen, der genaue Wert ist in den meisten Fällen unkritisch…​ Zur Überprüfung gilt jedoch folgende Gleichung:

\large \[ R_{V} = \frac{U_{\text{Total}} - U_{R}}{I} \]

Mit dieser Gleichung können wir den Wert für den Widerstand berechnen – nach der Berechnung verwenden wir einfach den nächsthöheren verfügbaren Widerstand in der E24-Serie. In den meisten Fällen können Sie einfach einen 1-kOhm-Widerstand wählen, der ausreicht. Außerdem sind für die hier beschriebenen Zwecke 1/4-Watt-Widerstände ausreichend, sogar 1/8-Watt-Widerstände.

Nun wollen wir sehen, was passiert, wenn wir die Pole vertauschen. Dann arbeitet die Diode in umgekehrter Polarität und leuchtet daher nicht …​

LEDs gibt es in einer Vielzahl unterschiedlicher Größen, Formen und Farben, beispielsweise unterscheiden sich die Größen in verschiedenen SMD-Größen, z. B. 0805, sowie in verschiedenen Formen (siehe hier). Aber in erster Linie ist die Farbe entscheidend. Die unterschiedlichen Dotierungen sorgen für unterschiedliche Farben.

siehe hier

Wenn wir den in Dioden verwendeten pn-Übergang wie im obigen Abschnitt gezeigt erweitern, erhalten wir vom einfachen zum sogenannten BJT (Bipolar-Transistor). Es gibt zwei verschiedene Versionen von Bipolartransistoren (https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-4/bipolar-junction-transistors-bjt/, BJTs) (benannt nach ihrer Dotierung): den NPN-Transistor und den PNP-Transistor.

Dieses Kapitel werde ich größtenteils 1:1 aus dem Buch „Wege in die Elektronik” von Joseph Glagla und Gert Lindner aus dem Jahr 1980 übernehmen.

Im Vergleich zur Elektronenröhre hat der Bipolartransistor viele Vorteile, aber einen wesentlichen Nachteil: Er benötigt einen Steuerstrom und damit Steuerleistung. Sein Eingangswiderstand ist niedrig, er belastet die Quelle (z. B. Antenne, Mikrofon) und kann oft nur von hochohmigen Quellen mit speziellen Techniken gesteuert werden. Die Elektronenröhre hingegen benötigt keine Leistung und kann allein durch die Feldstärke der angelegten Steuerspannung gesteuert werden. In der Praxis bedeutet dies, dass ihr Eingangswiderstand sehr hoch ist und die Quelle (z. B. Mikrofon) nicht belastet wird. Kein Wunder also, dass nach einem Bauteil gesucht wurde, das die Vorteile des Transistors mit denen der Röhre vereint. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist die Gruppe der Feldeffekttransistoren (abgekürzt FET). Der Name bezieht sich auf das Funktionsprinzip: Der FET wird nur durch die Feldstärke der angelegten Steuerspannung gesteuert, ohne Steuerstrom, d. h. ohne Leistung (abgesehen von Leckströmen und Verlusten). Da in ihm nur Ladungsträger einer Polarität bewegt werden – entweder Elektronen oder „Löcher“ – werden FETs als unipolare Transistoren bezeichnet.

Das Prinzip der Feldeffektsteuerung ist im Vergleich zum bipolaren Transistor „alt“. Bereits 1928 erhielt Julius Edgar Lilienfeld ein Patent für das Prinzip der Änderung des Widerstands eines elektrischen Feldes. Diese Entdeckung konnte jedoch noch nicht praktisch genutzt werden, da ein elektrisches Feld nicht tief in gute (metallische) Leiter eindringt; obwohl die Eindringtiefe in Isolatoren sehr groß ist, können diese nicht als Widerstände ( =Leiter) verwendet werden. Die Entwicklung der Halbleiter lieferte das geeignete Material, das einerseits leitet und andererseits das elektrische Feld tief eindringen lässt. 1952 konnte Shockley den ersten brauchbaren FET vorstellen. Es dauerte jedoch noch viele Jahre, bis er serienreif war.

Um die Funktionsweise des FET zu verstehen, erinnern wir uns an folgende Grundlagen:

Der Hauptteil des FET ist ein Strompfad ("Kanal") aus schwach dotiertem Silizium. Je nachdem, ob der Kanal n-dotiert oder p-dotiert ist, wird er als n-Kanal oder p-Kanal bezeichnet. Der Kanal ist ein Widerstand und leitet in beide Richtungen. Seine Enden werden als Source (abgekürzt S) und Drain (abgekürzt D) bezeichnet. Eine Elektrode, das Gate (abgekürzt G), ist um den Kanal herum isoliert.

Die Funktionsweise wird anhand eines n-Kanal-FET erklärt: Der n-Kanal leitet, weil er frei bewegliche Elektronen enthält. Erhält das Gate eine negative Spannung relativ zum Kanal (Source), stoßen die Elektronen im Gate die Elektronen im Kanal ab und drücken sie vom Randbereich zur Mitte. Im Randbereich wird der Kanal wieder zu einem reinen Kristall, also zu einem Isolator. Dadurch verengt sich der leitende Querschnitt des Kanals und sein Widerstand steigt. Wird die (negative) Gate-Spannung erhöht, werden immer mehr Elektronen aus dem Kanal verdrängt, d. h. sein leitender Teil wird immer schmaler. Bei einer bestimmten Gate-Spannung (der „Cut-off-Spannung”) werden schließlich alle Elektronen verdrängt, der Kanal wird „abgeschnitten” und leitet nicht mehr.

Die Steuerung funktioniert auch umgekehrt: Ein sehr schwach dotierter p-Kanal ist zunächst nicht leitfähig. Eine positive Gate-Spannung zieht Elektronen in den Kanal und macht ihn leitfähig. Der Kanalwiderstand nimmt mit steigendem U_{GS} ab. '' Der FET ist ein Widerstand, der durch die Feldstärke der Steuerspannung gesteuert werden kann. ‚‘ Der Regelbereich ist sehr groß. Grundsätzlich können D und S vertauscht werden, da FETs jedoch nicht exakt symmetrisch gefertigt werden, erzielt die „richtige” Anschlussmethode bessere Ergebnisse. Je nachdem, wie das FET-Prinzip umgesetzt wird, unterscheidet man zwischen verschiedenen FET-Familien. Die beiden Hauptgruppen sind der Sperrschicht-FET (JFET) und der MOSFET.

Das Gate befindet sich als stark dotierte Zone um den schwach dotierten Kanal herum. Es ist in entgegengesetzter Richtung zum Kanal dotiert, wodurch ein pn-Übergang entsteht, dessen Barriereschicht als Isolierung wirkt. Diese Gruppe von Feldeffekttransistoren wird daher als Junction-FET oder JFET (J für Junction) bezeichnet.

Die Funktion wird erneut anhand des n-Kanal-FET (siehe Bild oben) veranschaulicht: U_{DS} liegt zwischen D und S. Die Elektronen fließen von S nach D. Nun wird die Spannung U_{GS} (Minuspol an G) an das Gate angelegt. Der pn-Übergang zwischen G und dem Kanal liegt in Sperrrichtung. Wie bei der Kapazitätsdiode (https://en.wikipedia.org/wiki/Varicap) wird die Barriereschicht mit steigender Spannung breiter. Da der Kanal im Verhältnis zum Gate schwach dotiert ist, wächst die Barriereschicht vorwiegend in den Kanal hinein, d. h. die Elektronen werden aus einem Teil des Kanals verdrängt. Dieser Teil wird wie reiner Kristall nichtleitend. Der leitende Teil des Kanals wird schmaler, sein Widerstand steigt, bis der Kanal bei einer bestimmten Gate-Spannung „abgeschnitten” wird und nicht mehr leitet – siehe oben. Es fließt kein Steuerstrom – mit Ausnahme des geringen Leckstroms, der in allen Dioden vorhanden ist. Der p-Kanal-JFET funktioniert genau gleich, nur mit umgekehrt polarisierten Batterien (Spannungsquellen).

Bei der zweiten Gruppe von FETs besteht die Isolierung zwischen Gate und Kanal aus einer extrem dünnen Schicht aus Siliziumdioxid (SiO_{2}); das Gate ist als metallische Beschichtung (vakuumbeschichtetes Al) ausgeführt. Entsprechend ihrer Struktur werden diese FETs nach dem Metall des Gates, dem Oxid der Isolierschicht und dem Halbleiter des Kanals benannt: MOS-FET.

In der obigen Abbildung besteht der Kanal aus schwach p-dotiertem Material, D und S aus stark n-dotierten Inseln. Das Substrat, die „Basis” des Kristalls (B, von bulk = Masse, Hauptteil) ist intern oder durch externe Verdrahtung mit S verbunden.

Unabhängig davon, wie Spannung an S und D angelegt wird, befindet sich einer der pn-Übergänge zwischen dem Kanal und der Verbindungsinsel in Sperrrichtung. Der MOSFET blockiert, wenn keine Spannung an G angelegt wird. Erhält G eine positive Spannung U_{GS}, werden die Löcher als positive Ladungsträger sofort aus dem Kanalbereich gegenüber der Gate-Elektrode verdrängt, Elektronen aus dem Substrat, das mit S (negativer Pol der Spannungsquelle) vorhanden ist, werden angezogen, so dass sich zwischen D und S gegenüber G eine n-leitende Brücke, die „Inversionsschicht”, bildet. Der Widerstand dieser Schicht nimmt mit steigendem U_{GS} ab. Dieser MOSFET-Typ wird nur leitfähig, wenn der Kanalbereich mit Elektronen angereichert ist; er wird daher als „Anreicherungstyp” bezeichnet und ist außerdem selbstblockierend, da er nicht leitet, wenn das Gate offen ist oder U_{GS} = 0 V. Ein anderer Typ wird so hergestellt, dass der Kanalbereich bereits schwach n-dotiert ist. Wenn G offen ist oder U_{GS} = 0 V, leitet er; er ist „selbstleitend”. Bei negativem U_{GS} können die Elektronen aus dem Kanalbereich verdrängt werden, bis sie abgeschnitten sind; bei positivem U_{GS} können Elektronen in den Kanalbereich gesaugt werden, so dass der Kanalwiderstand weiter abnimmt und I_{D} entsprechend zunimmt. Die Steuerung mit negativem U_{GS}, d. h. mit der Verdrängung von Elektronen, wird bevorzugt. Daher wird diese Familie von MOSFETs als „Verarmungstyp” bezeichnet. Die Besonderheit selbstleitender MOSFETs besteht darin, dass sie sowohl durch positive als auch durch negative Gate-Spannungen gesteuert werden können.

Die anderen MOSFET-Typen sind Ableitungen der beiden oben genannten Hauptgruppen, die in dieser Einführung nicht beschrieben werden.

Entsprechend den Grundschaltungen für Bipolartransistoren (BJT) gelten die gleichen Regeln für Feldeffekttransistoren, die in diesem Blogbeitrag vorgestellt werden. Die Emitterschaltung ist die Source-Schaltung, die Basisschaltung ist die Gate-Schaltung und die Kollektorschaltung ist die Drain-Schaltung.

Die Gate-Schaltung wird selten verwendet, da der größte Vorteil des FET, die hohe Eingangsimpedanz, damit nicht genutzt werden kann.

Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)