Die Auswahl an Transistoren ist unglaublich groß. Sie lassen sich zum Glück in Familien einteilen, innerhalb derer die Unterschiede nicht so groß sind. Allerdings unterscheiden sie sich in Preis und Lieferbarkeit zum Teil dramatisch. Deswegen lohnt es sich, für typische Anwendungszwecke jeweils ein Standard-Modell auszusuchen und davon einen kleinen Vorrat im Schrank zu haben.

In einigen Veröffentlichungen ist es üblich, die Abkürzungen TUN, TUP, DUS, oder DUG zu verwenden, wenn der genaue Typ eines Halbleiters für die Funktion nicht wichtig ist. Die Abkürzungen stehen dabei für:

• TUN: transistor, universal, NPN
• TUP: transistor, universal, PNP
• DUS: diode, universal, silicon
• DUG: diode, universal, germanium

Universelle Kleinsignaltransistoren in komplementären Paaren:

Jeweils in komplementären Paaren.

Eine wichtige Eigenschaft, in der sich Transistoren unterscheiden, ist die Stromverstärkung (hfe). Das ist der Faktor um den mehr Strom von Emitter nach Kollektor fließt als in die Basis strömt.

Die Stromverstärkung eines einzelnen Transistors kann technisch bedingt nicht beliebig hohe Werte annehmen. Als Ausweg kann man zwei Transistoren so zusammenschalten, dass der erste Transistor die Basis des zweiten ansteuert. Diese Zusammenschaltung funktioniert dann nach außen wie ein bipolarer Transistor mit einer Stromverstärkung, die sich aus dem Produkt der beiden Einzeltransistoren ergibt. Diese Zusammenschaltung als integriertes Bauteil unter der Bezeichnung Darlington-Transistor erhältlich.

Ob ein MOSFET sich für eine bestimte Anwendung eignet, entscheidet sich meist an der Spannung und dem geforderten Strom. Wenn der Transistor nicht rein digital betrieben werden soll, ist außerdem die maximale Verlustleistung wichtg. Die wird meist durch die Bauform bestimmt und reicht von 0.3 W für SOT23 bis 600 W für SOT227. (Die Tabelle ist sortierbar durch Klick auf den jeweiligen Spaltenkopf)

Die Herstellung von P-MOSFETs stößt schneller an technologische Grenzen als bei N-MOSFETs. Das erklärt die geringe Auswahl an Modellen für besonders viel Strom, oder besonders hohe Spannung. Wenn es sich einrichten lässt, sollte man daher P-Kanal MOSFETs in Schaltungen für Hochspannung oder große Leistung vermeiden.

JFETs funktionieren aus Sicht der Gate-Spannung anders herum als MOSFETs. Das heißt, sie sind leitend ohne Spannung am Gate und sperren bei voller Ansteuerung. Die überwiegende Mehrheit der J-FETs ist wegen ihres vergleichsweise hohen Restwiderstands nur für kleine Ströme geeignet. Es gibt Ausnahmen, die allerdings ihren Exotenstatus durch Preise jenseits von 20 EUR/Stck anzeigen.

Genau wie bei den MOSFETs gibt es JFETs ebenfalls in Ausführungen mit N-Kanal und mit P-Kanal. Dabei sind J-FETS mit N-Kanal deutlich üblicher. Diese sperren bei einer negativen Spannung zwischen Gate und Source.

Der extrem geringe Leckstrom macht die 2N4117A zum traditionellen Mittel der Wahl für kapazitive Sensoren. Die nächstbeste Wahl ist ein MMBF4117.

Die grundsätzlichen Eigenschaften der JFETs mit P-Kanal ähneln denen von JFETs mit N-Kanal, nur dass alle Spannungen das entgegengesetzte Vorzeichen haben. Sie sperren also wenn das Gate eine positive Spannung relativ zu Source aufweist.

Wenn besonders viel Strom geschaltet werden muss, eignen sich IGBTs. Das sind bipolare Transistoren, deren Basis mit einem isolierten Gate angesprochen wird (Insulated Gate Bipolar Transistor). In gewisser Weise sind es also Kreuzungen zwischen bipolaren Transistoren und MOSFETs. Die App-Note 983 von IRF stellt die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den beiden Bauteilklassen zusammen. Zwischen Emitter und Kollektor fällt auch bei voller Durchschaltung immer eine Spannung zwischen 1.5 V und 3 V ab. Das bedeutet für hohe Ströme eine entsprechend hohe Verlustleistung. Daher sind für IGBT Bauformen sinnvoll, die gut Wärme an einen Kühlkörper abführen können.

Ein anderer Unterschied zu MOSFETs bsteht darin, dass es bei IGBTs keine Inversdiode gibt. Stattdessen zeigen sie bei verkehrter Polung einen Durchbruch bei einer Spannung, die je nach Modell zwischen 10 V und 50 V liegt.

Der Strom beruht in IGBTs wahlweise auf Löcherleitung (P-Kanal), oder auf beweglichen Elektronen (N-Kanal). Außerdem kann der Kanal bei am Gate angelegter Spannung öffnen, oder sperren. Daraus ergeben sich im Prinzip vier unterschiedliche Funktionsmuster. Ähnlich wie bei MOSFETs werden für Leistungsanwendungen aber nahezu ausschließlich öffnende N-Kanal Komponenten angeboten. Das heißt, ein typischer IGBT wird zwischen Kollektor und Emitter leitend, wenn an das Gate eine positive Spannung gegenüber dem Emitter anliegt.

• Beim Magnesium-Experiment ist für die Umpolung der Fallen-Spulen ein Modul mit sechs IGBTs verbaut, die 450 A schalten können: SemiX453GD176HDc
• Bis etwa 70 A gibt es ein breites Angebot an einzelnen IGBTs in den Bauformen TO220 und TO247. Bei Quantus werden mit diesen Bauteilen die 40 A einer Magnetspule von Helmholtz- in Anti-Helmholtz-Konfiguration umgepolt.

Einige Datenblätter von IGBTs im Gehäuse TO220, oder TO247 schweigen sich über die Pinbelegung aus. Offenbar gibt es letztlich nur eine Belegung, die für diese Bauteile üblich ist:

  _________
 /   ||    |--- Emitter
| O  ||    |--- Kollektor
 \   ||    |--- Gate
  ---------

IGBTs haben einige Eigenheiten. Dazu gehört eine recht große Kapazität am Gate, parasitäre Induktivitäten und das nichtlineare Verhalten der Body-Diode. Diese Abweichungen vom Ideal fallen besonders dann auf, wenn die IGBTs große Ströme schnell schalten sollen. Dann treten leicht Oszillationen auf, die die Funktion der Schaltung in Frage stellen. Das kann man in den Griff bekommen, indem man ein Netzwerk aus Kondensatoren, Widerständen und Dioden zwischen Emitter und Kollektor schaltet. Dieses Netzwerk heißt “Snubber”. Es dient dazu, unerwünschte Spannungen abzuleiten.

Ärgerlicherweise gibt es kein universell anwendbares Snubber-Netzwerk. Es muss grob zur jeweiligen Anwendung passen. Hinweise zur Auslegung des Snubbers gibt es von Mitsubishi in einem informativen Dokument mit dem Titel “General Considerations for IGBT and Intelligent Power Modules”. Dort wird auch auf Probleme eingegangen, die mit der Masse und der Abwärme auftreten können.