E8 Fortschrittliche Halbleiterbauelemente

Thema

Transistoren sind die grundlegenden aktiven Bauelemente moderner Elektronik. Es gibt zwei Hauptfamilien mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien. Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) steuert einen relativ hohen Strom zwischen zwei seiner Anschlüsse, indem er an einen dritten Anschluss, das Gate, eine Spannung anlegt, wobei praktisch kein Strom durch das Gate fließt. In seinem wichtigsten Anwendungsfall als Verstärker wächst dieser gesteuerte Strom deutlich schneller als die Überspannung über der Schwellenspannung, die zum Einschalten des Transistors erforderlich ist.

Die kontinuierliche Miniaturisierung dieser Transistoren – heute nur noch wenige Nanometer in den modernsten Chips – war die treibende Kraft der gesamten Halbleiterindustrie. Allerdings treten bei diesen Größenordnungen unerwünschte Effekte auf, darunter die Stromdichtebegrenzung, die bereits im lokalen Ohmschen Gesetz vorhergesagt wurde.

Der Bipolartransistor (BJT), die andere Hauptfamilie, steuert einen Ausgangsstrom mithilfe eines deutlich kleineren Eingangsstroms. Jeder Transistor besitzt ein charakteristisches Verstärkungsverhältnis. Es ist im Allgemeinen linearer als der MOSFET, verbraucht aber im Gegensatz zum MOSFET einen gewissen Strom an seinem Steueranschluss.

Neben herkömmlichem Silizium widerstehen Halbleiter mit großer Bandlücke – wie Galliumnitrid oder Siliziumkarbid – deutlich höheren Betriebsspannungen, Temperaturen und Frequenzen als traditionelles Silizium. Dies bestätigt den im vorherigen Modell etablierten Zusammenhang zwischen Bandlückenbreite und Materialverhalten. Diese Halbleiter sind heute die Schlüsseltechnologie moderner Leistungselektronik: Elektrofahrzeuge, Schnellladegeräte und Systeme für erneuerbare Energien.

Dieses Modul, das zunächst zwei Transistorfamilien anhand der jeweiligen Steueranschlüsse unterscheidet, zeigt abschließend, dass die Miniaturisierungsgrenze beider Familien keine willkürliche technische Entscheidung ist, sondern eine direkte Folge der Stromdichtephysik, die in diesem Katalog bereits als Grundlage etabliert wurde.

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