Transistortypen und Schaltungen

Im Dezember 1947 zeigten Forscher der Bell Laboratories erstmals einen PNP-Punktkontakt-Germanium-Transistor, der als Sprachverstärker mit einer Leistungsverstärkung von 18 arbeitete. Dieses Ereignis wird allgemein als Geburtstag des Transistors angesehen.

Seitdem haben Transistoren ihre allgegenwärtige Präsenz durch ihre Verwendung in sowohl Schalt- als auch Verstärkungsfunktionen erreicht. Zudem sind sie in einer großen Bandbreite von Leistungsfähigkeiten, Schaltgeschwindigkeiten und vielen anderen Parametern verfügbar. Während dies Elektronikentwicklern viel Spielraum bietet, kann es auch eine Barriere schaffen: Wie wähle ich den besten Transistor für mein neues Projekt oder eine Überarbeitung?

In diesem Artikel liefern wir einige Informationen zur Klassifizierung von Transistoren und ihren Parametern. Dazu zeigen wir, wie Parameter zur Beurteilung der Eignung von Transistoren für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können. Die Diskussion deckt auch ein spezifisches Problem ab, das häufig auftritt, wenn Ingenieure versuchen, Prozesssensoren mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) zu verbinden; ob NPN- oder PNP-Geräte verwendet werden sollen.

Während der Artikel hauptsächlich auf bipolaren Sperrschichttransistoren (BJTs) und Feldeffekttransistoren (FETs) basiert, werden auch speziellere Technologien – Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und Galliumnitrid (GaN) – Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) vorgestellt. Ein beispielhafter FET-Source-Verstärker wird ebenfalls beschrieben.

Wir schauen uns anschließend an, wie Transistoren effizient mit Anwendungen abgeglichen werden können, indem parametrische Suchen wie auf der Website von Farnell verwendet werden.

Transistortypen

Transistoren sind Solid-State-Geräte, die aus Halbleitermaterialien, typischerweise Silizium, Germanium und Galliumarsenid, bestehen. Sie haben normalerweise drei Anschlüsse. Einer davon ist ein Anschluss für Eingangs- und Ausgangssignale. Ein Signal an einem der verbleibenden Anschlüsse steuert derweil den Strom in dem anderen, wie in Abb. 1 gezeigt.

Das Baumdiagramm in Abb. 2 fasst die verschiedenen Wege zusammen, auf denen dieses grundlegende Drei-Anschluss-Halbleiterkonzept implementiert werden kann.

Dieses Diagramm zeigt, dass Transistoren grundsätzlich in BJTs und FET-Typen aufgeteilt sind. Die grundlegendste Frage bei der Wahl eines Transistors ist jedoch nicht, ob es ein BJT oder ein FET ist, sondern seine Polarität: Ist die Ausgangsklemme bei der Verwendung positiv oder negativ in Bezug auf ihren gemeinsamen Anschluss? Wenn die Antwort positiv ist, brauchen wir einen NPN BJT oder einen N-Kanal FET. Andernfalls wird ein PNP oder ein P-Kanal benötigt.

Ein Artikel von James Bryant, der am 19. Mai 2014 auf dem Wiki von Analog Devices veröffentlicht wurde, bietet viele wertvolle Informationen und Anleitungen zur Auswahl von Transistoren für Anwendungen; Auszüge davon finden Sie weiter unten.

Die meisten universellen Transistoranwendungen benötigen Vorrichtungen, die mit Nullvorspannung am Steuereingang (Basis oder Gate) nicht leitend sind. Solche Vorrichtungen sind BJTs oder Erweiterungsmodus-MOSFETs. Depletion-Mode-FETs sind viel weniger üblich, obwohl sie für einige Anwendungen durchaus wertvoll sein können. Die Wahl des NPN/N-Kanals oder PNP/P-Kanals hängt davon ab, ob die Versorgung positiv oder negativ ist. Die Frage lautet nun jedoch, ob ein BJT oder ein MOSFET erforderlich ist.

In vielen Fällen ist es egal. Diskrete MOSFETs sind vielleicht zehn oder zwanzig Prozent teurer als BJTs, aber sie benötigen keine Basiswiderstände, die Geld und teure Platinenfläche kosten. Sie sind etwas anfälliger für elektrostatische Schäden (ESD) während der Handhabung, ziehen jedoch keine Basisstrom- und -lastkreise bei Gleichstrom (da sie eine relativ große Eingangskapazität aufweisen, können sie in Schaltungen mit höherer Frequenz zu kapazitiven Belastungsproblemen führen).

Zu einem Zeitpunkt betrug die Gate-Schwellenspannung (der Wert von Vgs, bei dem ein MOSFET zu leiten beginnt) mehrere Volt, so dass sie nicht mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen verwendet werden konnten Heute jedoch sind die Schwellenspannungen vieler Vorrichtungen vergleichbar mit der 0,7-V-Grundeinschaltspannung eines Silizium-BJT. Daher funktionieren BJTs und MOSFETs jetzt sowohl in Verstärker- als auch in Schaltanwendungen gleichermaßen gut.

Der Eingang eines BJT ist jedoch eine Siliziumdiode. Wir können seine thermischen Eigenschaften verwenden, um die Temperatur zu messen, und seinen hohen Strom bei einer Übersteuerung, um als Klemm- oder Begrenzungskreis zu wirken. Es gibt also einige Schaltungen, bei denen ein BJT von entscheidender Bedeutung ist.

Seit etwa zwanzig Jahren veröffentlicht das Magazin Elektor Schaltungen, die um Transistoren herum konstruiert sind. Hier wird zwischen TUNs und TUPs („Transistor Universal NPN“ und „Transistor Universal PNP“) unterschieden. Diese Transistoren sind planare Silizium-BJTs. Zu ihnen gehört jeder Transistor, der die folgende Spezifikation überschreitet:

Die meisten billigen Kleinsignal-Silizium-Transistoren gehören dazu. Die Liste könnte auch MUNs und MUPs („MOSFET Universal N-channel“ und „MOSFET Universal P-channel“) umfassen, ebenso wie die meisten günstigen kleinen MOSFETs:

Die meisten Versionen von SPICE enthalten Standard-BJTs und MOSFETs, die diesen „universellen“ Geräten ähnlich sind. Wenn Sie also ein System entwickelt, das diskrete Kleinsignaltransistoren enthält, verwenden Sie diese Generika während der Entwurfsphase und wählen Sie die am besten geeignete (mit Blick auf bestes Gehäuse, schnelle Verfügbarkeit und geringe Kosten) bei der Bestellung. Verwenden Sie bei der Veröffentlichung oder Spezifikation des Designs jedoch eine allgemeine Terminologie, damit klar ist, dass die genaue Auswahl des Geräts keine Rolle spielt. Natürlich können diese Standardgeräte in vielen Designs nicht eingesetzt werden – einige Spezifikationen müssen außerhalb des einfachen Standards liegen. Geben Sie in solchen Fällen die Ausnahmen an, zum Beispiel:

Transistorparameter

Es gibt eine Reihe von Parametern – zusätzlich zu offensichtlichen Faktoren wie der Nennleistung –, die bei der Bewertung eines Transistors als Kandidat für Ihre Schaltung berücksichtigt werden müssen. Wir betrachten diese als nächstes.

Maximale Kollektor-/Drain-Spannung. BVceo oder BVds: Wenn die maximale Versorgungsspannung kleiner als BVceo oder BVds ist, keine induktiven Schaltungen im Kollektor/Drain vorhanden sind, die höhere Spannungstransienten erzeugen können, und keine externe Signalquelle existiert, die höhere Spannungen anwendet, dann können wir diese Spezifikation ignorieren.

Es gibt jedoch viele Schaltungen, bei denen erwartet werden kann, dass ein Transistor mit hohen Werten von Vce oder Vds funktioniert, entweder im stationären Zustand oder als Transienten. Dabei ist es wichtig, dass dort, wo dies der Fall ist, das korrekte Maximum gewählt wird.

BJTs und MOSFETs mit Durchbruchsspannungen von mehr als 500 V sind kostengünstig und schnell verfügbar, obwohl die Stromverstärkung von Hochspannungs-BJTs häufiger im Bereich von 40-100 liegt als im Bereich von 100 des TUN/TUP. In ähnlicher Weise liegt die Gate-Schwellenspannung eines Hochspannungs-MOSFET wahrscheinlicher im Bereich von 2 bis 5 V statt 500 bis 2.000 mV des MUN/MUP.

Absoluter maximaler Kollektor-/Drain-Strom. Ic (max) oder Id (max): Der maximal zu erwartende Strom im Kollektor/Drain darf den absoluten maximalen Nennstrom des Gerätes nicht überschreiten. Da der TUN/etc-Wert dafür 100 mA beträgt, ist dies für Kleinsignalschaltkreise unwahrscheinlich, aber wenn der Transistor eine Last mit Strom versorgen muss, muss der maximale Strom überprüft werden.

Die absolute maximale Nennstromstärke einiger Geräte kann in eine Gleichstrom- (oder vielleicht mittlere) Stromstärke und eine höhere Einschwingrate für kurze Impulse unterteilt werden. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass Spitzen-Übergangsströme innerhalb ihrer Nenngrenzen liegen.

Die meisten Kleinsignaltransistoren weisen Imax-Nennwerte von mehr als 100 mA – üblicherweise 300-1.000 mA – auf. Viele Vorrichtungen, die die TUN/etc-Spezifikation erfüllen, haben zudem tatsächlich eine solche Nennleistung und können verwendet werden, wenn diese mittleren Ströme benötigt werden. Wenn höhere Ströme benötigt werden, sind TUN/etc-Geräte unzureichend und ein Leistungsgerät muss gewählt werden. Bei höheren Strömen ist es wichtig, dass sowohl die Nennleistungen als auch die Strombelastbarkeit eingehalten werden. Gehäuse fallen wahrscheinlich größer aus, und ein Kühlkörper kann erforderlich werden. BJTs mit höheren Maximalströmen können bei hohen Strömen niedrigere ß-Werte haben.

Gehäuse und Stromversorgung: Es gibt unzählige verschiedene Transistorpakete, von nahezu mikroskopischen oberflächenmontierbaren bis hin zu großen Kunststoff- und Metallgehäusen, die bei ausreichender Kühlung mehrere kW bewältigen können. Wählen Sie die für Ihre Anwendung am besten geeignete Lösung – Oberflächenmontage für die Massenproduktion, gewickelt für die Prototypenerstellung und Kleinserien, bei denen das einfache Handlöten hilfreich ist, und welches Leistungspaket auch immer in Frage kommt, wenn Dissipation und Kühlkörper in Betracht gezogen werden.

Kollektor-/Drain-Leckstrom Ice0 oder Idss0: (manchmal als „Cutoff-Strom bezeichnet.) Dies ist der geringe Leckstrom, der von Kollektor zu Emitter oder von Drain zu Source fließt, wenn der Transistor ausgeschaltet ist. Er liegt normalerweise in der Größenordnung von einigen zehn nA, aber in Datenblättern werden manchmal größere Worst-Case-Maximalwerte festgelegt, um die Testkosten zu senken. Transistoren, die als Schalter oder Verstärker mit sehr niedrigem Pegel verwendet werden, sollten für eine Leckage unter 50 nA ausgewählt werden. Für die meisten Anwendungen sind jedoch 200 nA oder auch höhere Werte zufriedenstellend.

Der in Abb. 3 gezeigte Wechselrichter mit niedriger Leistungsaufnahme ist ein Beispiel für eine Schaltung, die sehr niedrige Kollektor/Drain-Verluste erfordert. Ein Leckverlust von 100 nA führt zu einem Spannungsabfall von 1 V und einer Ausgangsspannung von 2 V, nur knapp unterhalb der erlaubten logischen 1-Pegel, so dass praktische Konstruktionen einen MOSFET mit einem Drain/Source-Leck = 50 nA verwenden sollten.

Beachten Sie, dass obwohl dieser Inverter eine sehr geringe Leistungsaufnahme aufweist [300 nA = 0,9 μW, wenn der Transistor eingeschaltet ist], er nur sehr langsam arbeitet. Unter der Annahme einer Transistor-Ausgangskapazität plus Leiterkapazität plus Eingangskapazität der nächsten Stufe von 20 pF, was nicht unangemessen ist, hat er eine Anstiegszeit von etwa 0,2 ms – dies ist für DC-Anwendungen akzeptabel, aber nicht für Schaltungen mit mittlerer Geschwindigkeit.

Stromverstärkung ß oder hfe: Die Stromverstärkung eines BJT ist das Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom, wenn das Bauelement nicht in der Sättigung ist, d. H. die Kollektor-/Basisspannung ist positiv [für ein NPN-Bauelement]. ß ist normalerweise über einen großen Bereich von Strömen ziemlich konstant, kann bei sehr niedrigen Basisströmen aber auch etwas niedriger ausfallen und wird fast sicher fallen, sobald der Kollektorstrom seinen absoluten Maximalwert erreicht. Da es ein Verhältnis ist, ist es ein dimensionsloser Wert.

TUNs und TUPs haben ß = 100, aber Hochstrom- und Hochspannungs-BJTs können geringfügig niedrigere (= 40 oder 50) minimale spezifizierte Werte haben.

Eine Emitterfolger/Sourcefolger-Ausgangsstufe, die in Abb. 4 dargestellt ist, arbeitet ebenso genau mit einem BJT oder einem MOSFET. In einfachen Emitterfolgern wird angenommen, dass die Basis-/Emitter- oder Gate-/Source-Spannungen Vbe oder Vgs konstant bleiben, was einen festen Versatz zwischen der Eingangs- und der Lastspannung ergibt. In genaueren Schaltungen kann eine Rückkopplung vom Emitter (Quelle) genommen/eine Verbindung laden werden.

Da ein Teil des Emitterstroms in der Basis fließen muss, sind die Kollektor- und Emitterströme eines BJT nicht identisch, was bedeutet, dass die Stromausgangsstufe eher mit einem MOSFET als mit einem BJT gebaut werden sollte, da MOSFETs praktisch keinen Gate-Strom haben.

Vorwärtstranskonduktanz gfs: Die Vorwärtstranskonduktanz eines FET ist das Verhältnis von ΔIds/ΔVgs, wenn die Vorrichtung eingeschaltet und die Drainschaltung nicht strombegrenzt ist. Es wird in Siemens (S) gemessen. Kleinsignal-FETs und MOSFETs können gfs mit nur wenigen mS haben, während größere auf Zuwächse von einem Siemens zu hin zu mehreren Siemens oder mehr kommen können.

Im Allgemeinen ist eine Änderung der Gate-Spannung von einigen Volt ausreichend, um den Drain-Strom von einem Minimum (Aus) zu seinem absoluten Maximalwert zu ändern. Es ist auch wichtig zu wissen, an welchem ​​Gate die Spannungsleitung beginnt (siehe unten).

Gate-Schwellenspannung Vgs (th): Die Gate-Schwellenspannung eines MOSFET ist die Gate-/Source-Spannung, bei der der korrekt vorgespannte Drain beginnt, Strom zu ziehen. Die Definition von „Starts“ wird auf dem Datenblatt angegeben und kann nur wenige µA betragen, kommt jedoch eher auf 1 mA. Ein Hochleistungs-MOSFET kommt sogar auf einen noch höheren Wert. Über diesem Schwellenwert steigt der Drain-Strom sehr schnell mit kleinen Erhöhungen der Gate-Spannung.

Wenn ein MOSFET durch Logik angesteuert werden soll, ist es wichtig, dass seine Schwellenspannung oberhalb des schlechtesten Wertes von logisch 0 über dem Temperaturbereich der Schaltung liegt, der wahrscheinlich mindestens einige hundert mV beträgt. Sonst schaltet er sich möglicherweise ein, wenn er eigentlich ausgeschaltet sein soll.

Sättigungsspannung Vce (sat): Wenn ein BJT stark genug eingeschaltet ist, um die Spannung in seiner Kollektorlast zu reduzieren und das Kollektorpotential unter das Basispotential zu bringen (mit anderen Worten, der Basis-Kollektor-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt), ist er in der Regel gesättigt. Diese Sättigungsspannung ist nicht proportional zum Kollektorstrom, so dass das Modell eines gesättigten Transistors nicht nur ein Widerstand zwischen seinem Kollektor und Emitter ist.

Zwei Beispiele für die Wichtigkeit einer niedrigen Sättigungsspannung sind:

[A] In der klassischen TTL-Logik werden von jedem Eingang 1,6 mA in einen logischen 0-Ausgang geleitet, der ihn ansteuert. Bei einem vollen Fan-out von 10 bedeutet dies, dass ein TTL-Ausgangstransistor aufgerufen werden kann, um 16 mA mit einer Sättigungsspannung von nicht mehr als 400 mV zu senken.

[B] Wenn ein Leistungs-BJT verwendet wird, um hohe Stromlasten zu schalten, ist seine Verlustleistung für einen gegebenen Laststrom proportional zu seiner Sättigungsspannung. Je niedriger die Sättigungsspannung ist, desto weniger Wärme muss vom Transistor entfernt werden.

Beachten Sie, dass beim Entfernen des Eingangstreibers von einem gesättigten Transistor eine Verzögerung auftritt (normalerweise nsecs oder dutzende nsecs, aber es können auch mehr sein), bevor er sich abschaltet. Dies ist die Sättigungswiederherstellungszeit und kann unter genau definierten Bedingungen auf dem Datenblatt angegeben werden.

On Resistance Ron: MOSFETs sättigen nicht, weil sie Majoritätsträgergeräte sind. Wenn sie mit einer Gatespannung weit oberhalb ihrer Gate-Schwellenspannung angeschaltet werden, verhalten sie sich als niederwertige Widerstände und ihr Einschaltwiderstand ist auf ihrem Datenblatt angegeben. Es gilt das Ohm‘sche Gesetz – der Spannungsabfall ist proportional zum Strom und dem Einschaltwiderstand, und ihre Verlustleistung ist I2R.

Rauschzahl NF: Die Mehrheit der Transistoranwendungen findet auf relativ hohem Niveau statt, und Rauschen ist kein Problem. Wo es jedoch ein Problem darstellt, ist es von entscheidender Bedeutung. Viele Transistoren, sowohl BJTs als auch FETs, haben ihre Rauschzahl spezifiziert und von ihren Herstellern garantiert. Beim Vergleich der Rauschzahlen verschiedener Geräte ist es wichtig, dass sie mit der gleichen Quellenimpedanz gemessen wurden. Wenn die Transistoren zur Verwendung in Funksystemen bestimmt sind, ist es wahrscheinlich, dass ihre NF bei 50 Ω gemessen wurde. So ist ein Vergleich zwar einfach, jedoch ist es sinnlos, die NFs zweier Geräte zu vergleichen, deren NFs bei unterschiedlichen Impedanzen gemessen wurden.

Übergangsfrequenz ft: Der ft-Wert einer BJT ist die Frequenz, bei der die Stromverstärkung bei einem Kurzschluss (bei HF) eine Einheit ist. ft ist die am häufigsten verwendete Gütezahl zum Vergleich der Frequenzantwort von BJTs. Die meisten TUNs und TUPs werden weit über dem Minimum von 100 MHz liegen, aber Hochleistungs- und Hochspannungstransistoren werden oft eher niedrigere Werte haben.

FETs sind Transkonduktanz-Bauelemente mit einem infinitesimalen DC-Eingangsstrom, so dass es nicht richtig ist, ihre Gleichstromverstärkung zu berücksichtigen. Da sie jedoch eine Eingangskapazität (Cgs) von pF bis hin zu Hunderten von pF aufweisen, ist ihre kapazitive Eingangsimpedanz bei HF relativ niedrig. Daher können ihr HF-Eingangsstrom gemessen und ihr ft abgeleitet werden. Gelegentlich enthält ein FET- oder MOSFET-Datenblatt einen Wert von ft, der auf diese Weise abgeleitet wird, und es ist sicherlich sinnvoll, ihn, falls verfügbar, zu verwenden, um die FET-Frequenzantwort auszuwerten. Üblicherweise wird die Geschwindigkeit von FETs jedoch in Bezug auf Schaltzeiten spezifiziert.

Schaltzeiten t (ein) & t (aus): Die meisten FETs und viele BJTs haben Schaltzeitspezifikationen, definiert als die Zeit, die unter bestimmten Bedingungen benötigt wird, um den Ausgangsstrom von Null auf einen bestimmten Wert zu erhöhen oder auf Null zurückzukehren. Das Schaltsignal wird entweder als augenblicklich angenommen (eine legale Fiktion) oder als einige Nanosekunden definiert. Der Vergleich der Schaltzeiten ist ein zuverlässiger Weg, die relativen Geschwindigkeiten von Transistoren zu vergleichen, vorausgesetzt, sie werden unter ähnlichen Bedingungen getestet.

Kapazitäten C: Es gibt drei Kapazitäten, die einem Transistor zugeordnet sind – die Eingangskapazität Cin, die Ausgangskapazität Cout und die Miller (oder Rückkopplungs-) Kapazität Cfb. Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Namen (daher das C?? in der Überschrift), welcher jedoch welcher ist sollte aus Abbildung 5 hervorgehen.

FETs, insbesondere Leistungs-MOSFETs, können Werte von Cin bis zu 1 nF oder mehr aufweisen, obwohl Kleinsignal-MOSFETs viel kleinere Werte im Bereich von 15-50 pF haben. Es ist jedoch wichtig, Schaltungen zu entwerfen, bei denen eine solche Kapazität die Anstiegszeiten oder die Schaltungsstabilität beeinflussen kann, um sicherzustellen, dass das Design solche Werte berücksichtigt. Zudem sollten die Bauelemente so gewählt werden, dass sie Kapazitäten aufweisen, die das Schaltungsdesign tolerieren kann.

NPN- im Vergleich zu PNP-Geräten

Beim Einsatz von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) müssen ihre digitalen Eingänge auf die angeschlossenen Sensoren abgestimmt werden, nicht nur in Bezug auf Spannungspegel, die normalerweise 24 VDC betragen, sondern auch für die Polarität – NPN oder PNP. PNP-Sensoren sind Stromquellen, während es sich bei NPN-Typen um Stromsenken handelt. Ein Stromquellensensor muss an einen stromsenkenden Eingang angeschlossen werden und umgekehrt.

Bei der Auswahl gibt es ein paar Argumente, die für PNP sprechen. Erstens sind PNP-Sensoren für Techniker einfacher zu verstehen und lassen sich leichter untersuchen, da der Sensor ein Hochspannungssignal liefert, wenn der Ausgang aktiv ist. Zweitens ist der PLC-Eingang in einer NPN-Schaltung wahr, wenn ein Draht bricht und Masse berührt. Dies kann möglicherweise zu einem unerwünschten Maschinenverhalten führen (z. B. Start der Drucktasteneingabe). Wenn eine Leitung in einer PNP-Schaltung zu Masse schließt, ist der SPS-Eingang falsch.

Während PNP-Sensoren in den USA und Europa Standard sind, genießt die NPN-Variante in Asien immer noch eine gewisse Bevorzugung. Dies bedeutet, dass im schlimmsten Fall eine Organisation einen zusätzlichen Bestand an Sensoren oder Eingangsmodulen mit sich führen muss, um sicherzustellen, dass kompatible Paare immer eingerichtet werden können. Dieser Aspekt der Installation müsste ebenfalls verfolgt und verwaltet werden.

Meistens wird die Situation jedoch mit einem gewissen Maß an Flexibilität erleichtert. Zum Beispiel können viele Eingabemodule (insbesondere die IP20-Versionen, die am häufigsten in Schränken installiert sind) entweder als NPN oder PNP verdrahtet werden. Beachten Sie jedoch, dass alle Eingänge in diesem Modul entweder NPN oder PNP sein müssen. Sie können sie nicht einfach beliebig mischen und kombinieren. Außerdem kommen immer wieder neue Sensoren auf den Markt, die verdrahtet oder als NPN oder PNP konfiguriert werden können. Alternativ können viele SPS-Karten verdrahtet werden, um entweder NPN oder PNP aufzunehmen. Sie erfordern keine Hardware-Änderungen.

Diese Punkte werden in einem Artikel des Magazins „Control Design“ mit dem Titel „S entscheiden Sie sich zwischen PNP und NPN“ ausführlicher diskutiert.

Andere Transistortechnologien

Bisher haben wir die Grundformen von BJT- und FET-Transistoren und deren Varianten diskutiert. Es gibt jedoch auch andere Arten; Zwei Schlüsselbeispiele sind der Insulated Gate Bipolar Transistor, abgekürzt IGBT, und Galliumnitrid (GaN) High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs).

Der Bipolartransistor mit isoliertem Gate oder IGBT ist eine Kreuzung aus einem BJT- und einem FET-Transistor. Er kombiniert die hohe Eingangsimpedanz und die hohe Schaltgeschwindigkeiten eines MOSFET mit der niedrigen Sättigungsspannung eines Bipolartransistors, um einen anderen Typ von Transistorschaltvorrichtung zu erzeugen, der in der Lage ist, große Kollektor-Emitter-Ströme mit einer Gatestromansteuerung von praktisch Null zu handhaben.

IGBTs bieten die Ausgangsschalt- und Leitungseigenschaften eines Bipolartransistors, sind aber wie ein MOSFET spannungsgesteuert. IGBTs werden hauptsächlich in Leistungselektronikanwendungen, wie z. B. Invertern, Wandlern und Stromversorgungen verwendet, wo die Anforderungen des Halbleiterschaltgeräts durch Leistungs-BJTs und Leistungs-MOSFETs nicht vollständig erfüllt werden. Hochstrom- und Hochspannungs-BJTs sind verfügbar, jedoch sind ihre Schaltgeschwindigkeiten langsam, während Leistungs-MOSFETs höhere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen können. Hochspannungs- und Hochstrom-Bauelemente sind jedoch teuer und schwer zu erreichen.

Abb. 6 zeigt, dass der Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode eine Dreipol-Transkonduktanzvorrichtung ist, die einen N-Kanal-MOSFET-Eingang mit isoliertem Gate mit einem PNP-Bipolartransistorausgang kombiniert. Letzterer ist in einer Darlington-Konfiguration angeschlossen.

Daher werden die Anschlüsse als Collector, Emitter und Gate bezeichnet. Zwei seiner Anschlüsse (C-E) sind mit dem Leitfähigkeitspfad verbunden, der Strom durchlässt, während sein dritter Anschluss (G) die Vorrichtung steuert.

Galliumnitrid (GaN)-Transmitter mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) umfassen eine andere Transistortechnologie. Sie eröffnen neue Möglichkeiten und bieten gegenüber Silizium-MOSFETs mehrere Vorteile. GaN-Transistoren können eine viel höhere dV/dt-Anstiegsrate erzielen und somit viel schneller schalten als Silizium-MOSFETs, wodurch Schaltverluste signifikant reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist das Fehlen einer Reverse-Recovery-Ladung, die bei herkömmlichen Silizium-MOSFET-Designs zu einem Aufruf des Schalterknotens führt.

Die Transistoren werden auch so betrachtet, dass sie eine hohe Durchbruchspannung mit hoher Effizienz kombinieren, um gut als Leistungsbauelemente zu funktionieren. Neben der Eignung für Leistungsverstärker in mobilen Basisstationen und Radar-Sensor-Anwendungen sind sie auch ideal für den weiteren Ausbau im Bereich der Stromumwandlung und in Geräten wie Server-Power-Systemen geeignet.

Mit geringem Durchlasswiderstand und schneller Schaltleistung bietet GaN HEMT Potenzial für Miniaturisierung, einen reduzierten Stromverbrauch und niedrigere Kosten durch weitere Entwicklungen in der Technologie, zusammen mit Schaltungen, die diese Vorteile maximieren.

Transistor-Anwendungsbeispiel – FET-Source-Verstärkerschaltung

Die gemeinsame Source-FET-Verstärkerschaltung ist eine der am weitesten verbreiteten aller FET-Schaltungskonfigurationen für viele Anwendungen mit einem hohen Allround-Leistungsniveau. Sie bietet Strom- und Spannungsverstärkung sowie eine zufriedenstellende Eingangs- und Ausgangsimpedanz.

Abb. 7 zeigt eine typische gemeinsame Quellenverstärkerschaltung, wie sie durch Elektronikanmerkungen entwickelt wurde. Das Eingangssignal tritt über C1 ein; dieser Kondensator stellt sicher, dass das Gate nicht von irgendeiner Gleichspannung beeinflusst wird, die von den vorherigen Stufen kommt. Der Widerstand R1 hält das Gate auf Massepotential. Ihr Wert könnte typischerweise bei etwa 1 MΩ liegen. Der Widerstand R2 entwickelt eine Spannung darüber, die die Quelle über dem Massepotential hält. C2 wirkt als ein Bypass-Kondensator, um eine zusätzliche Verstärkung bei AC bereitzustellen.

Der Widerstand R3 entwickelt die Ausgangsspannung darüber, und C3 koppelt den Wechselstrom mit der nächsten Stufe, während er den Gleichstrom sperrt.

Auswahl des richtigen Transistors

Nachdem Sie eine Reihe von Parametern für Ihren Zieltransistor verstanden und definiert haben, ist der nächste Schritt, ein reales, verfügbares Gerät zu finden, das über diese Eigenschaften verfügt. Mithilfe von Farnells parametrischen Suchmaschinen kann es gelingen, geeignete Lösungen herauszufiltern. Der Bereich „Bipolartransistoren“ kann zum Beispiel nach Polarität, Kollektor-Emitter-Spannung, Übergangsfrequenz, Leistungsdissipation und DC-Kollektorstrom sowie Compliance, Verpackung und Hersteller durchsucht werden.

In ähnlicher Weise kann der Bereich „HF-FET-Transistor durch die Drain-Source-Spannung, den kontinuierlichen Drain-Strom, die Leistungsdissipation, die Betriebsfrequenz Min und Max, die Pinanzahl, maximale Betriebstemperatur, Compliance, Gehäuse und Hersteller gefiltert werden.