Halbleiterbauelemente: Überblick

Nimm ein USB-Ladegerät auseinander, und du findest auf einer Platine so groß wie eine Streichholzschachtel ein halbes Dutzend Halbleiterbauelemente: vier Dioden, die die Netzspannung gleichrichten, einen Leistungstransistor, der sie hunderttausendmal pro Sekunde zerhackt, einen Steuerchip, einen Optokoppler, der die Ausgangsspannung über die Isolationsgrenze zurückmeldet, und auf der Ausgangsseite noch eine Schottky-Diode oder einen weiteren Transistor. Ohne Halbleiter gäbe es weder dieses Ladegerät noch das Handy daran. Dieser Artikel ordnet die Familien, zeigt, was sie gemeinsam haben, und führt dich zu den Einzelartikeln.

Was ein Halbleiterbauelement ausmacht

Allen gemeinsam ist das Material: meist Silizium, dessen Leitfähigkeit sich durch Temperatur, Licht und elektrische Felder stark verändern lässt (siehe Halbleiter). Den eigentlichen Trick liefert die Dotierung: Wenige Fremdatome machen aus reinem Silizium ein n-Gebiet mit überschüssigen Elektronen oder ein p-Gebiet mit Löchern. Wo beide aneinanderstoßen, entsteht ein pn-Übergang – eine Grenzschicht, die Strom nur in einer Richtung durchlässt. Wie viele solcher Schichten ein Bauteil hat und wie sie angeschlossen sind, bestimmt, was es kann:

• Eine Grenzschicht, zwei Anschlüsse: Das ist die Diode. Sie lässt Strom in eine Richtung durch und sperrt ihn in der anderen.
• Zwei Grenzschichten, drei Anschlüsse: Der Bipolartransistor. Ein kleiner Strom in die mittlere Schicht steuert einen großen Strom durch alle drei.
• Drei Grenzschichten, vier Schichten: Der Thyristor. Ein kurzer Zündimpuls schaltet ihn ein, danach hält er sich selbst im leitenden Zustand.
• Ein Kanal statt einer Schichtfolge: Beim Feldeffekttransistor steuert eine Spannung am Gate über ein elektrisches Feld die Leitfähigkeit eines schmalen Kanals. Es fließt praktisch kein Steuerstrom.

Man unterscheidet außerdem bipolare Bauelemente, bei denen Elektronen und Löcher gemeinsam den Strom tragen (Diode, Bipolartransistor, Thyristor, IGBT), und unipolare, bei denen nur eine Ladungsträgersorte im Kanal fließt (JFET, MOSFET). Das hat praktische Folgen: Bipolare Bauteile speichern beim Leiten Ladung, die beim Abschalten erst ausgeräumt werden muss, und schalten deshalb langsamer. Unipolare schalten schneller, brauchen aber eine ausreichend hohe Gate-Spannung.

Die Familien im Überblick

Dioden

Die Familie beginnt mit der gewöhnlichen Diode, die als Gleichrichter Wechsel- in Gleichspannung verwandelt; vier davon bilden den Brückengleichrichter. Die Schottky-Diode nutzt statt eines pn-Übergangs einen Metall-Halbleiter-Kontakt und leitet schon ab rund 0,3 V – ideal in Schaltnetzteilen. Die Z-Diode arbeitet absichtlich im Durchbruch und hält eine Spannung fest, die TVS-Diode fängt kurze Überspannungsimpulse ab. Spezialisten sind die Kapazitätsdiode zum Abstimmen von Schwingkreisen und die historisch interessante Tunneldiode. Die Freilaufdiode ist kein eigener Typ, sondern eine Aufgabe: Sie schützt Schalter vor der Abschaltspannung einer Spule.

Transistoren

Den Bipolartransistor gibt es als NPN- und PNP-Typ. Er braucht einen Basisstrom, ist billig, robust und in Analogschaltungen bis heute verbreitet. Der Feldeffekttransistor wird über eine Spannung gesteuert; sein wichtigster Vertreter ist der MOSFET, der heute fast alle Lasten schaltet, die ein Mikrocontroller bedienen soll. In Prozessoren und Speichern stecken Milliarden winziger MOSFETs.

Thyristoren und Leistungshalbleiter

Wo Netzspannung oder sehr große Ströme geschaltet werden, findest du den Thyristor und den Triac, der Wechselstrom in beide Richtungen schaltet, etwa im Phasenanschnittdimmer. Der IGBT verbindet den spannungsgesteuerten Eingang eines MOSFETs mit der Stromtragfähigkeit eines Bipolartransistors und sitzt in Frequenzumrichtern und Elektroautos. Neue Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid erlauben höhere Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen, siehe SiC- und GaN-Transistoren.

Optoelektronik

Hier tritt der pn-Übergang mit Licht in Wechselwirkung (siehe Optoelektronik in den Grundlagen). Die LED wandelt Strom in Licht, die Fotodiode und die Solarzelle machen es umgekehrt. Der Optokoppler kombiniert LED und Fototransistor in einem Gehäuse und überträgt ein Signal ohne elektrische Verbindung.

Integrierte Schaltungen

Eine integrierte Schaltung vereint Transistoren, Dioden, Widerstände und kleine Kondensatoren auf einem Siliziumplättchen. Für dich als Entwickler sind ICs Funktionsblöcke: Ein Spannungsregler liefert eine feste Spannung, ein Operationsverstärker verstärkt, ein Mikrocontroller führt ein Programm aus. Die Gehäuseformen stellt IC-Gehäuse vor.

Halbleiter an unerwarteten Stellen

Auch einige Bauteile, die man zu den Widerständen zählt, sind Halbleiter: Der NTC-Heißleiter besteht aus Metalloxid-Keramik, der Varistor aus Zinkoxid, der Fotowiderstand aus Cadmiumsulfid. Hallsensoren und Temperatursensor-ICs nutzen ebenfalls Halbleitereffekte.

Schaltzeichen

Die Schaltzeichen verraten die Verwandtschaft: Das Dreieck mit dem Strich steht für einen pn-Übergang in Durchlassrichtung und taucht in fast allen Diodensymbolen auf. Pfeile nach außen bedeuten ausgesandtes Licht, Pfeile nach innen empfangenes. Beim Transistor zeigt der Pfeil am Emitter die Durchlassrichtung des Basis-Emitter-Übergangs – beim NPN nach außen. Eine vollständige Sammlung findest du unter Schaltzeichen.

Bauformen

Bedrahtete Bauteile stecken in Gehäusen wie DO-41 (Dioden), TO-92 (Kleinsignaltransistoren), TO-220 (Leistungsbauteile mit Kühlfahne) oder DIP (ICs mit zwei Reihen Pins). Auf modernen Platinen dominieren SMD-Gehäuse: SOD-123 und SMA für Dioden, SOT-23 für Transistoren, SO-8, QFN und BGA für ICs. Gleiche Gehäuse bedeuten dabei nie gleiche Funktion oder gleiche Pinbelegung – ein SOT-23 kann eine Diode, einen Transistor, einen MOSFET oder einen Spannungsregler enthalten.

Gemeinsame Grenzen: Wärme, Spannung, ESD

So verschieden die Bauteile sind, die Datenblätter warnen vor denselben Gefahren.

Sperrschichttemperatur. Silizium verträgt im Inneren meist höchstens 150 °C, manche Typen 175 °C. Darüber steigen Sperrströme so stark, dass das Bauteil thermisch durchgehen kann (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern). Wie warm die Sperrschicht wird, hängt von der Verlustleistung P und dem Wärmewiderstand R_thJA zwischen Sperrschicht und Umgebung ab:

Wie du Kühlkörper und Wärmewiderstände berechnest, zeigt Wärme und Kühlung; für Spannungsregler gibt es den Rechner Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper.

Grenzspannungen. Jeder pn-Übergang bricht bei zu hoher Sperrspannung durch. Bei normalen Dioden und Transistoren endet das meist mit der Zerstörung. Die Grenzwerte im Datenblatt (Absolute Maximum Ratings) gelten dabei nicht als Arbeitspunkt, sondern als Linie, die auch kurzzeitig nicht überschritten werden darf.

Elektrostatik. Besonders MOSFETs und CMOS-ICs haben extrem dünne Isolierschichten, die schon eine Entladung vom Pullover durchschlägt. Schutzmaßnahmen beschreibt ESD.

Temperaturabhängigkeit. Die Durchlassspannung eines Silizium-pn-Übergangs sinkt um etwa 2 mV pro Kelvin. Das stört in Verstärkern und Stromquellen, ist aber in Temperatursensoren nützlich.

Auswahl und Praxistipps

• Nicht nach Gehäuse, nach Datenblatt auswählen. Prüfe Grenzspannung, Dauerstrom, Verlustleistung und Wärmewiderstand – immer für den ungünstigsten Betriebsfall.
• Pinbelegung jedes Mal nachsehen. Bei Transistoren und Reglern unterscheidet sie sich auch bei gleichem Gehäuse, siehe Kennzeichnung von Transistoren.
• Typbezeichnung lesen können. Aus Präfixen wie BZX, 1N oder 2SC lässt sich die Familie ablesen; wie die Systeme aufgebaut sind, erklärt Kennzeichnung von Halbleitern.
• Reserve einplanen. Eine Faustregel ist, Spannungen auf höchstens 70–80 % und die Sperrschichttemperatur auf rund 125 °C auszulegen. Das verlängert die Lebensdauer deutlich.
• Ersatztypen kritisch prüfen. Ein „gleichwertiger“ Typ kann andere Schaltzeiten, Gate-Ladungen oder Pinbelegungen haben.

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