Halbleiterschalter in der Digitalelektronik

Elektrisch gesteuerte Schalter

Grundelemente der Digitalelektronik sind elektrisch gesteuerte Schalter.

Ein elektrisch gesteuerter Schalter (elektronischer Schalter) kann im Prinzip wie eine Blackbox gesehen werden. Diese hat einen Ein- und einen Ausgang. Ein elektrisches Signal am Eingang steuert das elektrische Signal am Ausgang.

Im Falle der Digitalelektronik gibt es zwei mögliche Zustände, die durch unterschiedliche Spannungen repräsentiert werden. Die Spannung am Eingang steuert also die Spannung am Ausgang. Dabei ist wichtig, dass die Ausgangsspannung nicht auf die Eingangsspannung zurückkoppelt. Ein- und Ausgang eines elektronischen Schalters müssen unabhängig voneinander sein.

In der Anfangszeit der Digitaltechnik kamen Relais, später Elektronenröhren zum Einsatz.
Heute arbeitet man ausschließlich mit Halbleitertechnik. Schalter werden durch Transistoren ersetzt.

Transistoren in der Digitaltechnik

Der Transistor stellt das ideale Bauelement für einen elektronischen Schalter dar. Er ist klein, robust und hat keine beweglichen Bauteile. Er kann billig in Massenfertigung produziert werden.
Moderne Techniken lassen es zu, dass Millionen oder sogar Milliarden von Transistoren auf einem Halbleiterchip integriert werden.

Transistoren für den Schaltbetrieb lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Bipolartransistoren (BJT) und Feldeffekttransistoren (FET), die auch als unipolare Transistoren bezeichnet werden.

Bipolartransistoren

Bipolartransistoren (BJT: Bipolar Junction Transistor) sind stromgesteuerte Bauteile. Damit ein BJT "schaltet" muss immer ein Steuerstrom fließen. Dies ist ein wesentlicher Nachteil, da sich die kleinen Steuerströme schnell zu einem großen Gesamtstrom addieren. Eine leistungslose Steuerung ist nicht möglich.

Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren (FET: Field Effect Transistor) sind spannungsgesteuerte Bauteile. Bei MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ist der Eingang tatsächlich durch eine Isolationsschicht vom Ausgang getrennt.

Ein MOSFET kann also quasi "leistungslos" angesteuert werden, was den wesentlichen Vorteil gegenüber von BJTs darstellt.

Durch verfeinerte Fertigungstechniken lassen sich MOSFETs extrem miniaturisieren so, dass sie auch bei Schaltfrequenzen im GHz-Bereich einsetzbar sind.

In der Digitaltechnik haben MOSFETs den BJT fast vollständig verdrängt.

Leistungs-Schalttransistoren

Zum Schalten hoher Spannungen und Ströme werden ebenfalls fast nur noch Leistungstransistoren für den Schaltbetrieb eingesetzt. Der BJT spielt auch hier eine untergeordnete Rolle. Gängig sind neben MOSFETs auch IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), die eine Mischform aus BJT und MOSFET darstellen.