Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter - Bauelement zum Steuern oder Verstarken meistens niedriger elektrischer Spannungen und Strome . Er ist der weitaus wichtigste ?aktive“ Bestandteil elektronischer Schaltungen , der beispielsweise in der Nachrichtentechnik , der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Besondere Bedeutung haben Transistoren ? zumeist als Ein/Aus-Schalter ? in integrierten Schaltkreisen , was die weit verbreitete Mikroelektronik ermoglicht.

Die Bezeichnung ?Transistor“ ist ein Kofferwort des englischen trans fer res istor , ^{[1] [2]} was in der Funktion einem durch eine angelegte elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom steuerbaren elektrischen Widerstand entspricht. Die Wirkungsweise ahnelt der einer entsprechenden Elektronenrohre, namlich der Triode .

Die ersten Patente auf das Prinzip des Transistors meldete Julius Edgar Lilienfeld im Jahr 1925 an. ^[3] Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, das Eigenschaften einer Elektronenrohre aufweist und im weitesten Sinne mit dem heute als Feldeffekttransistor (FET) bezeichneten Bauelement vergleichbar ist. Zu dieser Zeit war es technisch noch nicht moglich, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren. ^[4]

Im Jahr 1934 ließ der Physiker Oskar Heil den Aufbau eines Feldeffekttransistors patentieren, bei dem es sich um einen Halbleiter-FET mit isoliertem Gate handelt. ^[5] Die ersten praktisch realisierten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren JFETs mit einem p-n-Ubergang (positiv-negativ) und einem Gate als Steuerelektrode gehen auf Herbert F. Matare , Heinrich Welker sowie parallel dazu William Shockley und Walter H. Brattain aus dem Jahr 1945 zuruck. ^[6] Der Feldeffekttransistor wurde somit historisch vor dem Bipolartransistor realisiert, konnte sich damals aber noch nicht praktisch durchsetzen. Damals wurden diese Bauelemente noch nicht als Transistor bezeichnet; den Begriff ?Transistor“ pragte John R. Pierce im Jahr 1948. ^[2]

Ab 1942 experimentierte Herbert Matare bei Telefunken mit dem von ihm als Duodiode (Doppelspitzendiode) bezeichneten Bauelement im Rahmen der Entwicklung eines Detektors fur Doppler-Funkmess-Systeme. Die von Matare dazu aufgebauten Duodioden waren Punktkontakt-Dioden auf Halbleiterbasis mit zwei sehr nahe beieinanderstehenden Metallkontakten auf dem Halbleitersubstrat. Matare experimentierte dabei mit polykristallinem Silizium (kurz: Polysilizium), das er von Karl Seiler aus dem Telefunken-Labor in Breslau bezog, und mit Germanium , das er von einem Forschungsteam der Luftwaffe bei Munchen (in dem auch Heinrich Welker mitwirkte) erhielt. Bei den Experimenten mit Germanium entdeckte er Effekte, die sich nicht als zwei unabhangig arbeitende Dioden erklaren ließen: Die Spannung an der einen Diode konnte den Strom durch die andere Diode beeinflussen. Diese Beobachtung bildete die Grundidee fur die spateren Spitzentransistoren , eine fruhe Bauform des Bipolartransistors.

In den Bell Laboratories in den Vereinigten Staaten entwickelte die Gruppe um John Bardeen , William Shockley und Walter Brattain den ersten funktionierenden Bipolartransistor in Form eines Spitzentransistors, der am 23. Dezember 1947 erstmals firmenintern prasentiert werden konnte. ^{[7] [8] [9]} Fur die Erfindung des Bipolartransistors erhielten John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain 1956 den Nobelpreis fur Physik . Da Shockley mit seinem Team einen Bipolartransistor realisiert hatte, der nicht auf dem Funktionsprinzip eines Feldeffekttransistors basiert, finden sich in dem US-Patent auch keine Referenzen auf die theoretischen Vorarbeiten von Lilienfeld und Heil aus den 1920er Jahren. ^{[10] [11]}

Unabhangig von den Arbeiten in den USA entwickelten die beiden Wissenschaftler Herbert Matare und Heinrich Welker in Frankreich ebenfalls einen funktionsfahigen Bipolartransistor. Sie waren einige Monate spater erfolgreich und meldeten dafur am 13. August 1948 in Paris ein Patent an. ^{[12] [13] [14]} Am 18. Mai 1949 wurde diese Entwicklung unter dem Kunstwort ?Transistron“ der Offentlichkeit vorgestellt, der neue Begriff ?Transistron“ fand aber in Folge keine wesentliche Verbreitung. ^[15]

In den Folgejahren folgten weitere technologische Verbesserungen. So gelang der Gruppe um Gordon Teal , Morgan Sparks und William Shockley bei den Bell Labs im Jahr 1951 die Herstellung eines Flachentransistors , der aus nur einem Kristall besteht. Bis dahin waren Bipolartransistoren als Spitzentransistoren aufgebaut. ^[16]

In den 1950er-Jahren gab es einen Wettlauf zwischen der Elektronenrohre und den damals ublichen Bipolartransistoren, in dem die Chancen des Bipolartransistors wegen der vergleichsweise niedrigen Transitfrequenzen haufig eher skeptisch beurteilt wurden. Die geringe Große, der geringe Energiebedarf und spater die zunehmenden Transitfrequenzen der Transistoren fuhrten jedoch dazu, dass in den 1960er Jahren die Elektronenrohren als Signalverstarker auf fast allen technischen Gebieten abgelost wurden.

Sperrschicht-Feldeffekttransistoren spielten im praktischen Einsatz, im Gegensatz zu den ersten Bipolartransistoren, in den 1950er bis in die spaten 1960er Jahre noch kaum eine Rolle, obwohl deren theoretische Grundlagen langer bekannt waren. Feldeffekttransistoren ließen sich mit den damaligen Kenntnissen nicht wirtschaftlich fertigen und waren wegen der Durchschlagsgefahr des Gates durch unbeabsichtigte elektrostatische Entladung umstandlich zu handhaben. Zur Losung der bei bipolaren Transistoren auftretenden Probleme wie Leistungsbedarf und Anforderungen fur integrierte Schaltungen beschaftigten sich Entwickler ab etwa 1955 eingehender mit den Halbleiteroberflachen und fanden Fertigungsverfahren wie die Planartechnik , die die Feldeffekttransistoren im Folgejahrzehnt zur Serienreife brachten.

Im Jahre 1959 entwickelten Martin M. Atalla und Dawon Kahng , damals beide bei den Bell Labs angestellt, den ersten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der miniaturisiert und in Massenproduktion hergestellt werden kann und die Grundlage der CMOS-Technik darstellt. Der MOSFET ermoglicht dank seiner Skalierbarkeit, geringer Leistung und hoher Dichte die Entwicklung von hochintegrierten Schaltungen von weit uber einigen tausend MOSFETs. ^{[17] [18]}

Die ersten handelsublichen Bipolartransistoren wurden aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt und ahnlich wie Elektronenrohren in winzige Glasrohrchen eingeschmolzen. Die verschiedenen dotierten Zonen entstanden mit einem zentralen Germaniumplattchen, in das von beiden Seiten ? Indiumpillen “ anlegiert waren. ^{[19] [20]} Letztere drangen damit tief in das Grundmaterial ein, in der Mitte blieb aber eine Basisstrecke gewunschter Dicke frei. Im Jahr 1954 kamen Bipolartransistoren aus Silizium auf den Markt (Gordon Teal bei Texas Instruments und Morris Tanenbaum an den Bell Labs). Dieses Grundmaterial war einfacher verfugbar und preisgunstiger. Seit den spaten 1960er Jahren kamen großteils Metall- oder Kunststoffgehause zur Anwendung. Einsatzbereiche lagen zunachst in der analogen Schaltungstechnik wie den damals aufkommenden Transistorradios . Das Basismaterial Germanium wurde in Folge verstarkt durch das technisch vorteilhaftere Silizium ersetzt, das einen großeren Arbeitstemperaturbereich bei wesentlich geringeren Reststromen abdeckte und durch die Siliziumdioxid-Passivierung langzeitstabiler in den elektrischen Kennwerten gegenuber Germanium ist.

Der erste auf Galliumarsenid basierende Feldeffekttransistor, der sogenannte MESFET , wurde 1966 von Carver Mead entwickelt. ^[21] Dunnschichttransistoren (engl. thin film transistor , abgekurzt TFT ) wurden bereits 1962 von Paul K. Weimer entwickelt, konnten aber erst rund 30 Jahre spater im Bereich heute ublicher farbiger TFT-Displays einen Anwendungsbereich finden. ^[22]

Werden alle Transistoren in samtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen wie Arbeitsspeicher , Prozessoren usw. zusammengezahlt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die von der Menschheit in den hochsten Gesamtstuckzahlen produziert wurde und wird. Moderne integrierte Schaltungen , wie die in Personal Computern eingesetzten Mikroprozessoren , bestehen aus vielen Millionen bis Milliarden Transistoren, so besitzt die 2022 veroffentlichte Grafikkarte RTX 4090 76,3 Milliarden Transistoren. ^[23]

Es gibt zwei wichtige Gruppen von Transistoren, namlich 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 .

Bei bipolaren Transistoren tragen sowohl bewegliche negative Ladungstrager, die Elektronen , als auch positive Ladungstrager, sogenannte Defektelektronen , zur Funktion bzw. zum Ladungstransport bei. Defektelektronen, auch als Locher bezeichnet, sind unbesetzte Zustande im Valenzband , die sich durch Generation und Rekombination von Elektronen im Kristall bewegen. Zu den bipolaren Transistoren gehoren unter anderem der IGBT und der HJBT . Der wichtigste Vertreter ist jedoch der Bipolartransistor (engl.: bipolar junction transistor , BJT).

Der Bipolartransistor wird durch einen elektrischen Strom angesteuert. Die Anschlusse werden mit Basis , Emitter , Kollektor bezeichnet (im Schaltbild abgekurzt durch die Buchstaben B, E, C). Ein kleiner Steuerstrom auf der Basis-Emitter-Strecke fuhrt zu Veranderungen der Raumladungszonen im Innern des Bipolartransistors und kann dadurch einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. Je nach Dotierungsfolge im Aufbau unterscheidet man zwischen npn - (negativ-positiv-negativ) und pnp -Transistoren (positiv-negativ-positiv). Dotierung bedeutet in diesem Zusammenhang das Einbringen von Fremdatomen bei dem Herstellungsprozess in eine Schicht des hochreinen Halbleitermaterials, um die Kristallstruktur zu verandern. Bipolartransistoren sind grundsatzlich immer selbstsperrend : Ohne Ansteuerung mittels eines kleinen Stromes durch die Basis-Emitter-Strecke sperrt der Transistor auf der Kollektor-Emitter-Strecke.

Im Schaltsymbol ist der Anschluss Emitter (E) in beiden Fallen mit einem kleinen Pfeil versehen: Bei einem npn-Transistor zeigt dieser vom Bauelement weg, beim pnp-Transistor weist er zu dem Bauelement hin. ^[24] Der Pfeil beschreibt die technische Stromrichtung (Bewegung gedachter positiver Ladungstrager) am Emitter . In fruhen Jahren wurde in Schaltplanen bei den damals oft eingesetzten diskreten Transistoren zur Kennzeichnung des Transistorgehauses ein Kreis um das jeweilige Symbol gezeichnet. Die Kreissymbole sind durch den heutigen vorherrschenden Einsatz integrierter Schaltungen unublich geworden.

Die Verknupfung zweier Bipolartransistoren mit Vor- und Hauptverstarkung zu einer Einheit wird als Darlington-Transistor oder als Darlington-Schaltung bezeichnet. Durch diese Verschaltung kann eine deutlich hohere Stromverstarkung erreicht werden als mit einem einzelnen Transistor. Weitere Details zu den Besonderheiten und Ansteuerungen finden sich in dem eigenen Artikel uber Bipolartransistoren und in der mathematischen Beschreibung des Bipolartransistors . Einfache Schaltungsbeispiele finden sich in dem Artikel uber Transistorgrundschaltungen und bei den Ersatzschaltungen des Bipolartransistors .

Feldeffekttransistoren, abgekurzt FET, oder auch als unipolare Transistoren bezeichnet, werden durch eine Spannung gesteuert. Besonders fur FETs ist ein sehr hoher Eingangswiderstand im statischen Betrieb und die daher fast leistungslose Ansteuerung typisch.

Die drei Anschlusse werden als Gate (dt. Tor, Gatter), das ist der Steueranschluss, Drain (dt. Senke, Abfluss) und Source (dt. Quelle, Zufluss) bezeichnet. Bei MOSFETs ( Metalloxidschicht ) kommt noch ein weiterer Anschluss, das Bulk oder Body (dt. Substrat), hinzu, das meist mit dem Source -Anschluss verbunden wird. Der Widerstand und somit der Strom der Drain-Source-Strecke wird durch die Spannung zwischen Gate und Source und das dadurch entstehende elektrische Feld gesteuert. Die Steuerung ist im statischen Fall fast stromlos. Der gesteuerte Strom im Drain-Source-Kanal kann, im Gegensatz zum Kollektorstrom von Bipolartransistoren, in beiden Richtungen fließen.

Die Klasse der Feldeffekttransistoren unterteilt sich in Sperrschicht-FETs (JFETs) und in die FETs, die mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (MISFET, MOSFET) versehen sind. Unterschieden wird bei Feldeffekttransistoren daruber hinaus je nach Dotierung des Halbleiters zwischen n- und p-FETs, die sich bei den MOSFETs weiter in selbstleitende und selbstsperrende Typen aufteilen.

Bei den Unipolartransistoren ist immer nur eine Ladungstragerart, negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Defektelektronen, am Ladungstragertransport durch den Transistor beteiligt.

Bei Sperrschicht-FETs (engl. junction FET , JFET) wird die elektrisch isolierende Schicht zum Gate durch eine in Sperrrichtung betriebene Diode und deren unterschiedlich große Raumladungszone gebildet. Sperrschicht-FETs sind in der Grundform immer selbstleitende Transistoren: Ohne Spannung am Gate sind sie zwischen Source und Drain leitend. Durch das Anlegen einer Gate -Spannung geeigneter Polaritat wird die Leitfahigkeit zwischen Source und Drain reduziert. Es gibt allerdings auch spezielle Varianten, die ohne Gate-Spannung keinen Source-Drain-Strom aufweisen (selbstsperrende JFET, engl. normally-off JFET ). ^[25]

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 Mikrofonverstarkern , Anwendung.

Der Uberbegriff MISFET leitet sich von der englischen Bezeichnung metal insulator semiconductor field-effect transistor (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ab. Sie stellen die andere große Gruppe, die Feldeffekttransistoren mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (engl.: isolated gate field-effect transistor , IGFET ), dar. Aus historischen Grunden wird statt MISFET oder IGFET meist die Bezeichnung MOSFET synonym verwendet. MOSFET steht fur englisch Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor ( Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ) und geht auf die Ursprunge der Halbleitertechnik zuruck; damals wurde als Gate-Material Aluminium und als Isolator Siliziumdioxid verwendet.

Wie der Name schon andeutet, wird ein MOSFET vor allem durch den Aufbau des Gate-Schichtstapels definiert. Dabei ist ein ?metallisches“ Gate durch ein Oxid (Isolator) vom stromfuhrenden Kanal (Halbleiter) zwischen Source und Drain elektrisch isoliert. Mit Technologiestand im Jahr 2008 wurde vornehmlich hochdotiertes Polysilizium als Gate-Material eingesetzt, womit die Bezeichnung MISFET bzw. MOSFET nicht korrekt ist. In Verbindung mit dem Substratmaterial Silizium bietet sich Siliziumdioxid als Isolationsmaterial an, da es sich technologisch einfach in den Herstellungsprozess integrieren lasst und gute elektrische Eigenschaften aufweist. Eine Ausnahme stellt die High-k+Metal-Gate-Technik dar, bei der ein metallisches Gate in Verbindung mit High-k-Materialien aus Metalloxiden eingesetzt wird.

Ein Vorteil der MOSFET-Technik ist, dass durch den Einsatz eines Isolators im Betrieb keine Raumladungszone als Trennschicht, wie beim Sperrschicht-FET mit entsprechender Ansteuerungspolaritat, gebildet werden muss. Der Gate -Anschluss kann somit in bestimmten Bereichen mit sowohl positiven als auch negativen Spannungen gegen den Source -Anschluss beaufschlagt werden.

Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich sowohl n- als auch p-Kanal-MOSFETs herstellen. Diese konnen auch in Form selbstleitender oder selbstsperrender Typen im Rahmen der Herstellungsprozesse konfiguriert werden. Die Schaltsymbole umfassen damit vier mogliche Variationen wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die selbstleitenden MOSFETs, auch als Verarmungstyp bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlussen Drain und Source aufweisen. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch als Anreicherungstyp bezeichnet, unterbrochen. Der Pfeil wird bei diesen Transistoren am Bulk -Anschluss eingezeichnet und bei einem n-Kanal-Typ zu dem Transistorsymbol orientiert, bei einem p-Kanal vom Transistor weg gezeichnet. Der Bulk -Anschluss ist oft fest mit dem Source -Anschluss direkt am Halbleiter verbunden.

Wegen der großeren Vielfalt und der leichteren elektrischen Steuerbarkeit sind MOSFETs die heute mit großem Abstand am meisten produzierten Transistoren. Moglich wurde dies vor allem durch die CMOS -Technologie, bei der n- und p-MOSFETs kombiniert werden. Erst der Einsatz dieser Technologie erlaubte die Realisierung hochkomplexer, integrierter Schaltungen mit einer deutlich reduzierten Leistungsaufnahme, die mit anderen Transistortypen nicht moglich ware.

Neben den Transistorgrundtypen gibt es einige weitere Varianten fur spezielle Anwendungsbereiche wie den Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode , abgekurzt IGBT. Diese Transistoren finden seit Ende der 1990er Jahre vor allem in der Leistungselektronik Anwendung und stellen eine Kombination aus MOS- und Bipolartechnologie in einem gemeinsamen Gehause dar. Da diese Leistungstransistoren Sperrspannungen bis zu 6 kV aufweisen und Strome bis zu 3 kA schalten konnen, ersetzen sie in der Leistungselektronik zunehmend Thyristoren .

Fototransistoren sind optisch empfindliche bipolare Transistoren, wie sie unter anderem in Optokopplern Verwendung finden. Die Steuerung dieser Transistoren erfolgt nicht durch einen kleinen Basis-Emitter-Strom ? mitunter wird der Basisanschluss auch weggelassen ?, sondern ausschließlich durch den Einfall von Licht (beispielsweise angewendet in Lichtschranken). Licht hat in der Raumladungszone des p-n-Uberganges des Bipolartransistors eine ahnliche Wirkung wie der Basisstrom, der normalerweise an der Basis(B), auf engl. Gate(G), geschaltet wird. Deswegen sollten herkommliche Transistoren, bei denen dieser Effekt unerwunscht ist, in einem lichtundurchlassigen Gehause untergebracht sein.

Ein heute kaum noch verwendeter Transistor ist der Unijunctiontransistor , abgekurzt UJT. Er ahnelt in seiner Funktion eher Thyristoren bzw. den Diacs , wird historisch aber zu den Transistoren gezahlt. Seine Funktion, beispielsweise in Sagezahngeneratoren, wird heute großteils durch integrierte Schaltungen realisiert.

In manchen Flussigkristallbildschirmen , den meist farbfahigen TFT-Displays, kommen pro Pixel im aktiven Bildbereich bis zu drei Dunnschichttransistoren (engl. Thin Film Transistor , TFT) zu Anwendung. Diese Feldeffekttransistoren sind praktisch durchsichtig. Sie werden zur Ansteuerung der einzelnen Pixel verwendet und ermoglichen im Vergleich zu den transistorlosen, farbfahigen LC-Displays einen hoheren Kontrast. Je nach Große des TFT-Display konnen pro Bildschirm bis zu einigen Millionen Dunnfilmtransistoren eingesetzt werden.

In elektrisch programmierbaren Festwertspeichern wie EPROMs und EEPROMs finden spezielle MOSFET mit einem sogenannten Floating Gate als primares Speicherelement Anwendung. Durch die im Floating Gate gespeicherte elektrische Ladung ist der Transistor permanent ein- bzw. ausgeschaltet und kann den Informationsgehalt eines Bits speichern. Das Beschreiben, und bei einigen Typen auch das Loschen, wird mittels des quantenmechanischen Tunneleffektes ermoglicht.

In integrierten Schaltungen werden weitere spezielle Formen wie der Multiemitter-Transistor eingesetzt, der bei Logikgattern in der Transistor-Transistor-Logik die eigentliche logische Verknupfung der Eingangssignale durchfuhrt.

2023 stellten Forschende der UCLA einen ?thermischen Transistor“ ( thermal transistor ) vor, der durch die Gate-Schaltung des elektrischen Feldes den Warmefluss im Bauelement verandern kann. ^[26] Im Gegensatz zu fruheren Proofs of Concept ^[27] ist das Bauteil uber eine Million Schaltvorgange hinweg funktionsfahig, was Anwendungsfalle wie effizienzsteigernde Kuhlung und Energy Harvesting suggeriert. ^[28]

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-Ubergange 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 gunstiger 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-Ubergangs als auch eine parallele Massenfertigung auf einem Substrat (Wafer) erlaubte ? was die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen (ICs) wesentlich beeinflusste.

Fur u. a. Differenzverstarker ist es wichtig, dass deren beide Eingangstransistoren moglichst isotherm betrieben werden. Unter anderem dafur werden Doppeltransistoren hergestellt, zwei Transistoren in einem Gehause. Auf dem nebenstehenden Bild deutlich erkennbar sind die einzelnen Transistoren auf einem kleinen Messingplattchen, die wiederum auf einem keramischen und elektrisch isolierenden Bock liegen. Moderne Typen in SO-Gehausen basieren teilweise auf zwei Transistoren auf einem Die , auch gibt es integrierte Transistorarrays (z. B. CA 3086) oder vollkommen integrierte Differenzverstarker in Form von Operationsverstarkern und Komparatoren .

Die erst spater praktisch realisierten Feldeffekttransistoren konnen in ahnlich 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, uberhaupt funktionsfahige Transistoren mit guten elektrischen Eigenschaften herzustellen, so wurden spater zunehmend Bauformen fur spezielle Anwendungen und Anforderungen entwickelt, beispielsweise Hochfrequenz- , Leistungs- und Hochspannungstransistoren . Diese Unterteilung gilt sowohl fur Bipolar- als auch fur Feldeffekttransistoren. Fur einige Anwendungen wurden auch spezielle Transistortypen entwickelt, die typische Eigenschaften der beiden Haupttypen vereinen, z. B. der Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).

Bipolare Transistoren wurden in der Anfangszeit aus dem Halbleiter Germanium gefertigt, wahrend heute uberwiegend der Halbleiter Silizium sowohl bei Feldeffekttransistoren als auch Bipolartransistoren verwendet wird. Der schrittweise Ersatz des Germaniums durch Silizium im Laufe der 1960er und 1970er Jahre geschah unter anderem aus folgenden Grunden (vgl. Thermische Oxidation von Silizium ): ^[29]

1. Silizium besitzt ein stabiles, nichtleitendes Oxid (Siliziumdioxid), hingegen ist Germaniumoxid wasserloslich, was unter anderem die Reinigung komplizierter macht.
   • Siliziumdioxid eignet sich zur Oberflachenpassivierung der Halbleiter, wodurch die Umgebung (Verschmutzungen, Oberflachenladungen usw.) die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente deutlich weniger beeinflussten und somit reproduzierbarer wurden.
   • Mit der thermischen Oxidation von Silizium existierte ein einfacher Herstellungsprozess von Siliziumdioxid auf einkristallinem Silizium. Die dabei entstehende Silizium-Siliziumdioxid-Grenzflache zeigt eine geringe Anzahl an Grenzflachenladungen, was unter anderem die praktische Umsetzung von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ermoglichte.
2. Silizium ist genauso wie Germanium ein Elementhalbleiter . Bei Silizium ist die Gewinnung und Handhabung einfacher als bei Germanium.

Fur Spezialanwendungen werden weitere Materialien eingesetzt. So besitzen einige Verbindungshalbleiter wie das giftige Galliumarsenid bessere Eigenschaften fur hochfrequente Anwendungen, sind aber teurer zu fertigen und benotigen andere Fertigungseinrichtungen. Um diese praktischen Nachteile des Galliumarsenids zu umgehen, existieren verschiedene Halbleiterkombinationen wie Siliziumgermanium , die fur hohere Frequenzen verwendbar sind. Fur Hochtemperaturanwendungen kommen fur die Herstellung von Transistoren spezielle Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid (SiC) zur Anwendung. Diese Transistoren konnen beispielsweise direkt an einem Verbrennungsmotor bei Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden. ^{[30] [31]} Bei siliziumbasierenden Halbleitern liegt die maximale Betriebstemperatur im Bereich von 150 °C.

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

Eine altere Typisierung von Transistoren erfolgte nach den Einsatzgebieten:

• Kleinsignaltransistoren ? einfache, ungekuhlte Transistoren fur analoge NF -Technik fur Leistungen bis ca. 1 W
• Leistungstransistoren ? robuste, kuhlbare Transistoren fur Leistungen oberhalb 1 W
• Hochfrequenztransistoren ? Transistoren fur Frequenzen oberhalb 100 kHz, bei Frequenzen jenseits der 100 MHz wird auch die außere Gestaltung beispielsweise in Streifenleitertechnik ausgefuhrt
• Schalttransistoren ? Transistoren mit gunstigem Verhaltnis von Durchlass- zu Sperrstrom, bei denen die Kennlinie nicht besonders linear zu sein braucht, in Varianten fur kleine und fur große Leistungen. Bipolare Transistoren im Kleinleistungsbereich mit integrierten Vorschaltwiderstanden werden auch als Digitaltransistor bezeichnet.

Differenziert wird inzwischen noch mehr nach dem Anwendungsgebiet. Die Maßstabe haben sich ebenfalls verschoben, die Grenze von 100 kHz fur HF-Transistoren wurde heute ca. um den Faktor 1000 hoher angesetzt werden.

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 uber eine Milliarde Transistoren auf einem Substrat, das meistens aus Silizium besteht und eine Flache von einigen Quadratmillimetern aufweist. Der im Jahr 2009 noch exponentielle Anstieg der Transistorenanzahl pro Flache in integrierten Schaltkreisen 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 hoheren Transistoranzahl je Chip wird dessen Speicherkapazitat großer oder seine Funktionsvielfalt, indem bei modernen Mikroprozessoren beispielsweise immer mehr Aktivitaten in mehreren Prozessorkernen parallel abgearbeitet werden konnen. 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 Große der Transistoren (Gate-Lange) bei hochintegrierten Chips betragt im Jahr 2009 oft nur noch wenige Nanometer. So betragt beispielsweise die Gate-Lange 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 Große 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. ^[32] Neben dem Bereich der Mikroprozessoren und Speicher sind an der Spitze der immer kleineren Strukturgroßen auch Grafikprozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). ^[33]

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 [34]	4.312.711.873	28 nm	2011
Nvidia Kepler GK110 [33]	7.100.000.000	28 nm	2012
AMD Epyc ? 32-Kern-Prozessor [35]	19.200.000.000	14 nm	2017

In der analogen Schaltungstechnik finden sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren in Schaltungen wie dem Operationsverstarker , 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 Vorverstarker ist das Rauschen eine wesentliche Storgroße. 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 moglichen Einsatzbereiche der Transistortypen, beispielsweise in Niederfrequenzverstarkern 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 fur diese Anforderungen noch keine fertigen integrierten Schaltungen bzw. Schaltungsteile gibt. Ein weiterer Einsatzbereich fur den Einsatz diskreter Transistorschaltungen liegt im qualitativ hoheren Segment der Audiotechnik .

Transistoren werden in unterschiedlichen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich von Leistungsverstarkern 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 großeren Thyristoren vorbehalten waren, bspw. in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen. Der Vorteil der Leistungstransistoren gegenuber Thyristoren ist die Moglichkeit, Transistoren jederzeit ein- oder ausschalten zu konnen. Herkommliche Thyristoren konnen zwar jederzeit eingeschaltet (gezundet) werden, aber nicht bzw. nur mit zusatzlichem Schaltungsaufwand wieder ausgeschaltet werden. Ein Umstand, der vor allem bei Gleichspannungsanwendungen von Nachteil ist.

Aufgrund der in der Leistungselektronik auftretenden Verlustleistungen kommen meist großere Transistorgehause wie TO-220 oder TO-3 zur Anwendung, die zusatzlich eine gute thermische Verbindung zu Kuhlkorpern ermoglichen.

Transistoren haben normalerweise drei Anschlusse, die als Drahte, Stifte, Bleche typisch nur an einer Seite des Gehauses parallel herausgefuhrt werden. Die Lotflachen an SMD -Gehausen liegen jedoch zumindest an zwei Seiten der Kontur. Insbesondere bei Leistungstransistoren, die fest mit einer Kuhlflache verschraubt werden, kommt es vor, dass der zu verschraubende Metallteil auch einen der drei Transistor Anschlusse elektrisch herausfuhrt, sodass nur zwei (weitere) Pole als Stifte o. A. zu finden sind. Kommen hingegen vier Drahte aus dem Gehause, kann einer die Funktion ?S“ Schirm/Abschirmung haben. Enthalt ein Gehause mehrere Transistoren, konnen ? vgl. Darlingtontransistor ? entsprechend viele Kontakte herausfuhren.

Es gibt individuell ausgesuchte Paare von Exemplaren mit moglichst ahnlichen Eigenschaften zum Einbau in entsprechend anspruchsvolle Schaltungen. Zudem gibt es sogenannte Komplementar-Paare (Typen) mit ahnlichen Eigenschaften, jedoch vertauschter Polaritat, also ein npn- und ein pnp-Typ.

Der im Inneren unter Umstanden filigrane Aufbau des Bauteils wird von einem vergleichsweise robusten Gehause gehaltert und zugleich umschlossen.

Aufgaben des Gehauses und der Zuleitungen im Allgemeinen:

• Moglichst dichtes Abschließen:
  • Gasdicht gegen Zutritt von Sauerstoff und anderen chemisch-physikalischen Reagentien, um eine moglichst inerte und saubere Umgebung fur die hochreinen Halbleitersubstanzen zu schaffen. Halbleiter konnen auch mit Isolierschichten beschichtet sein.
  • Lichtdicht
  • Abschirmen gegen ionisierende Strahlung (besonders bedeutsam bei Hohenflug, Raumfahrt, radioaktiv heißer Umgebung)
  • Elektrische und magnetische (Wechsel-)felder
• Geringer Warmeflusswiderstand fur die im Halbleiter (und seinen Zuleitungen) im Betrieb produzierte Warme hin zum Kuhlkorper als Warmesenke. Gehause sind typisch mit Silikon-Warmeleitpaste gefullt.
• Seitliche Ableitung von uber die elektrischen Kontakte wahrend eines Lotvorgangs ankommende Warme. Kleine Germaniumtransistoren sind mitunter mit dunnen Anschlussdrahten aus Eisen ausgestattet, die Warme ? aber auch elektrischen Strom ? schlechter leiten als Kupfer.
• Durchleitung elektrischer Strome unter geringem Spannungsabfall und geringer Warmeerzeugung (Joulsche Warme).

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

Materialien der Gehauseschale:

• Glas, geblasen, schwarz lackiert
• Alublech, tiefgezogen
• Bleche aus Kupferwerkstoffen (dunne Kuppel uber dicker, gelochter Platte), galvanisiert, verlotet oder verschweißt
• Duroplast

Einbettung der Kontakte:

• Glas
• Klebstoff
• Duroplast
• Keramik

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik . 12. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 978-3-540-42849-7 .  
• Kurt Hoffmann: Systemintegration: Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung . 2. Auflage. Oldenbourg, 2006, ISBN 978-3-486-57894-2 .  
• Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie: Grundlagen mikroelektronischer Integrationstechnik . 6. Auflage. Springer Vieweg, 2014, ISBN 978-3-8348-1335-0 .  
• Stefan Goßner: Grundlagen der Elektronik . 11. Auflage. Shaker, 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2 .  
• Alfred Kirpal : Die Entwicklung der Transistorelektronik. Aspekte einer militarischen und zivilen Technik . In: Technikgeschichte. Band 59, Heft, 1992, S. 353?369.

• Liste mit Standardtransistoren. In: electronicsplanet.ch. Abgerufen am 7. Dezember 2014 .  
• Thomas Krueger: Der Transistor ? Ein Tausendsassa. In: dieelektronikerseite.de. 20. April 2009, abgerufen am 22. Juni 2009 (Einige Transistor-Grundschaltungen).  
• Thomas Schaerer: Schalten und Steuern mit Transistoren. In: elektronik-kompendium.de. 13. Februar 2008, abgerufen am 22. Juni 2009 .  
• Kai Janßen: weTEIS ? interaktives Tutorial zu Lehrveranstaltung Entwurf integrierter Schaltungen. In: kjanssen.de. 3. November 1999, abgerufen am 19. Januar 2010 .