Die 10 wichtigsten Halbleiterkomponenten in der modernen Elektronik

Warum Halbleiterbauelemente in der modernen Elektronik eine wichtige Rolle spielen

Halbleiterbauelemente steuern das elektrische Verhalten auf eine Weise, wie es ein einfacher Leiter oder Widerstand nicht vermag. Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung fließen. Ein Transistor kann ein Signal schalten oder verstärken. Eine integrierte Schaltung kann Tausende oder Milliarden von Transistoren für Logik, Speicher, Steuerung oder Leistungsumwandlung kombinieren.

Für einen Einkäufer ist die Kategoriebezeichnung nur der Ausgangspunkt. Zwei Bauteile, die als “MOSFETs” oder “Speicher-ICs” bezeichnet werden, können unterschiedliche Pinbelegungen, Nennspannungen, Logikkompatibilität, thermische Grenzwerte, Firmware-Anforderungen oder Gehäuseabmessungen aufweisen. Eine richtige Kaufentscheidung beginnt mit der vollständigen Hersteller-Teilenummer einschließlich aller Suffixe und umfasst anschließend den Vergleich mit dem aktuellen Datenblatt sowie etwaigen anwendungsspezifischen Zulassungsanforderungen.

1. Dioden und Gleichrichter

Dioden leiten hauptsächlich in eine Richtung. Gleichrichterdioden wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um, während andere Typen Eingänge schützen, Spannungsspitzen begrenzen, Signale erkennen oder ein schnelles Schalten ermöglichen. Zu den gängigen Diodenfamilien zählen Standard-Gleichrichterdioden, Schottky-Dioden, Schaltdioden, Zenerdioden, TVS-Dioden und Brückengleichrichter.

Die Einkaufsprüfung ist zweckgebunden. Bei einem Gleichrichter sind die wiederholte Sperrspannung, der mittlere Durchlassstrom, die Stoßstromfestigkeit, das Durchlassspannungsverhalten und die thermischen Bedingungen zu überprüfen. Bei einem TVS-Bauelement sind die Standoff-Spannung, der Durchbruchbereich, die Klemmspannung, die Impulsfestigkeit und die zur Angabe dieser Nennwerte verwendete Wellenform zu vergleichen. Behandeln Sie eine ähnlich aussehende Diode nicht automatisch als Ersatz. Gehäuse, Polarität, Kapazität, Ansprechverhalten und Schutzgrad können das Verhalten der Schaltung beeinflussen.

2. Bipolare Sperrschichttransistoren

Ein Bipolartransistor (BJT) nutzt den Basisstrom zur Steuerung des Kollektorstroms. NPN- und PNP-BJTs finden nach wie vor breite Anwendung in der Kleinsignalverstärkung, bei diskreten Schaltvorgängen, in Vorspannungsschaltungen, in Audiostufen und in einfachen Treiberschaltungen.

Bei der Beschaffung eines BJT sind Polarität, Kollektor-Emitter-Spannung, Dauer- und Impulskollektorstrom, Verstärkungsbedingungen, gegebenenfalls die Übergangsfrequenz, das Gehäuse und die Pinbelegung aufeinander abzustimmen. Das gleiche Gehäuse kann je nach Hersteller oder Produktfamilie eine unterschiedliche Anschlussreihenfolge aufweisen. Fordern Sie ein aktuelles Foto der Charge an, wenn das Gehäuse oder die Anschlussbeschichtung von Bedeutung sind, und lassen Sie etwaige Alternativen von der Technik genehmigen, sofern sich Verstärkung, Schaltzeit oder Temperaturverhalten auf das Design auswirken.

3. MOSFETs

MOSFETs sind spannungsgesteuerte Transistoren, die für die Lastschaltung, die DC-DC-Wandlung, die Motorsteuerung, den Batterieschutz und viele andere Leistungsanwendungen eingesetzt werden. Gängig sind N-Kanal- und P-Kanal-Bauelemente. Die Auswahl von Leistungs-MOSFETs hängt häufig von den Leitungsverlusten, den Schaltverlusten, den Gate-Ansteuerungsbedingungen, dem thermischen Design und den sicheren Betriebsgrenzen ab.

Wählen Sie nicht ausschließlich nach Spannung und Strom aus. Vergleichen Sie die Drain-Source-Spannung, den Dauer- und den gepulsten Drain-Strom unter den angegebenen thermischen Bedingungen, den RDS(on)-Wert bei der tatsächlichen Gate-Spannung, die Gate-Ladung, die Schwellenspannung, das Gehäuse, das Verhalten der Body-Diode und den thermischen Widerstand. Eine niedrige Schwellenspannung ist kein Beweis dafür, dass ein MOSFET durch den Ausgang einer bestimmten MCU vollständig in den „Enhanced“-Modus versetzt wird. Texas Instruments weist zudem darauf hin, dass ein Leistungs-MOSFET eine Body-Diode enthält, die viele Schaltkonfigurationen beeinflusst. Siehe dazu Überblick über die Grundlagen von MOSFETs.

4. IGBTs

Bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verbinden die Gate-Steuerung nach MOSFET-Art mit der Strombelastbarkeit bipolarer Transistoren. Sie finden breite Anwendung in Motorantrieben mit hoher Leistung, Wechselrichtern, Schweißgeräten, der industriellen Stromumwandlung und in Systemen für erneuerbare Energien.

Die Auswahl von IGBTs erfordert eine systemische Betrachtung. Zu prüfen sind Kollektor-Emitter-Spannung, Strom- und Impulsfähigkeit, Schaltfrequenz, Anforderungen an die Gate-Ansteuerung, Leitungs- und Schaltverluste, Modulkonfiguration, gegebenenfalls Isolation sowie die Kühlschnittstelle. Infineon erklärt, dass IGBTs hohe Strombelastbarkeit und hohe Sperrspannung mit einer Steuerung über ein isoliertes Gate kombinieren; in der Produktübersicht werden Anwendungen in den Bereichen Industrie, Schienenverkehr, Energie, Automobil und Konsumgüter aufgeführt. Lesen Sie die offizielle IGBT-Übersicht.

Prüfen Sie bei einem Modul außerdem die Anordnung der Anschlüsse, das Befestigungsmuster, das Wärmeleitmaterial und ob die Topologie den erforderlichen Freilaufpfad enthält. Ein IGBT-Modul ist ohne technische Überprüfung kein direkter Ersatz für eine diskrete MOSFET-Stufe.

5. Integrierte Schaltungen

Integrierte Schaltungen, auch ICs genannt, vereinen zahlreiche Halbleiterfunktionen in einem einzigen Bauelement. Dazu gehören analoge ICs, digitale Logikschaltungen, Schnittstellen, Taktgeber, Datenwandler, HF-ICs, anwendungsspezifische ICs und Mixed-Signal-Bauelemente.

Eine Bestellung für integrierte Schaltkreise sollte die vollständige Teilenummer, den Hersteller, die Gehäusetyp, die Menge, die Verpackungsart, den zulässigen Datumscode-Bereich sowie die Anforderungen an die Dokumentation enthalten. Überprüfen Sie vor der Bestellung die Revision des Datenblatts und den Lebenszyklusstatus. Bei BGA-, QFN-, Fine-Pitch- oder feuchtigkeitsempfindlichen Bauteilen sind bei Erhalt der Lieferung der Zustand der Trays oder Spulen, der Feuchtigkeitsschutzbeutel, des Trockenmittels, der Feuchtigkeitsindikator-Karte sowie der Versiegelung zu überprüfen. Eine Abweichung bei der Kennzeichnung oder dem Etikett ist ein Grund, die Bearbeitung zu unterbrechen und Nachforschungen anzustellen. Dies ist jedoch für sich genommen kein Beweis für gefälschtes Material.

6. Mikrocontroller

Ein Mikrocontroller, auch MCU genannt, vereint einen Prozessorkern, Speicher und Ein-/Ausgabe-Peripheriegeräte auf einem Chip. STMicroelectronics beschreibt einen MCU als einen kompakten IC, der Prozessor, Speicher und Ein-/Ausgabe-Peripheriegeräte integriert. Übersicht über die MCU ist ein guter Ausgangspunkt für diese Kategorie.

MCUs reagieren besonders empfindlich auf die genaue Identität. Überprüfen Sie die Größe von Flash und RAM, das Gehäuse, die Pin-Anzahl, den Versorgungsspannungsbereich, die Temperaturklasse, die Optionen für Oszillator und Peripheriegeräte, die Boot-Konfiguration, die Sicherheitsfunktionen sowie die zugelassene Firmware-Toolchain. Ein fast passendes Modell kann sich beim Kompilieren anders verhalten, einen anderen Satz an Peripheriegeräten bereitstellen oder einen Wechsel der Platine erfordern. Wird ein alternatives Modell vorgeschlagen, sollte die Entwicklungsabteilung das Datenblatt, die Errata, das Referenzhandbuch, die Gehäusezeichnung und die Auswirkungen auf die Firmware prüfen, bevor eine Genehmigung erteilt wird.

7. Speicher-ICs

Speicher-ICs speichern Programmcode, Konfigurationsdaten oder Arbeitsdaten. Zu den gängigen Typen zählen NOR-Flash, NAND-Flash, EEPROM, SRAM, DRAM und SDRAM. Die Wahl des geeigneten Bausteins hängt davon ab, ob das Design einen nichtflüchtigen Speicher, einen schnellen Arbeitsspeicher, seriellen oder parallelen Zugriff, Fehlerkorrektur oder ein kontrolliertes Lebensdauerprofil erfordert.

Bei der Beschaffung von Speicherbausteinen ist eine genaue Überprüfung der Suffixe erforderlich. Dichte, Organisation, Schnittstellenspannung, Busbreite, Geschwindigkeitsklasse, Gehäuse, Betriebstemperatur und Revision können sich bei ansonsten ähnlichen Typennummern unterscheiden. Vergewissern Sie sich, ob ein Controller, ein Bootloader oder ein Betriebssystem genau diese Dichte und Revision unterstützt. Bei älteren oder schwer zu beschaffenden Speicherbausteinen sollten Sie erfragen, ob es sich um eine einheitliche Charge oder um gemischte Chargen handelt, aktuelle Fotos der Gehäuse anfordern und den Umfang der Prüfung vor dem Versand vereinbaren.

8. Energieverwaltungs-ICs

Energieverwaltungs-ICs, oft als PMICs bezeichnet, steuern, wie ein System seine Versorgungsspannungen erzeugt, umwandelt, sequenziert, überwacht und schützt. Zu dieser Gruppe gehören LDO-Regler, Buck- und Boost-Wandler, Lade-ICs, Überwachungsschaltungen, Hot-Swap-Controller, LED-Treiber, Gate-Treiber und Batteriemanagement-Bausteine.

Die Auswahl beginnt bei der Leistungsarchitektur. Überprüfen Sie den Eingangsbereich, die Ausgangsspannung bzw. die Programmiermethode, den Dauer- und Spitzenstrom, die Schaltfrequenz, den Ruhestrom, die Freigabelogik, die Kompensationsanforderungen, das Schutzverhalten, die thermische Leistung des Gehäuses sowie die erforderlichen externen Komponenten. TI’s Grundlagen zu LDOs erklärt, warum der Durchfallwert und die Betriebsbedingungen eines Reglers von Bedeutung sind.

Genehmigen Sie bei der Beschaffung einen PMIC-Ersatz nicht allein deshalb, weil dessen Ausgangsspannung und -strom ähnlich erscheinen. Pinbelegung, Startsequenz, Fehlerreaktion, Layout-Richtlinien und Firmware-Steuerung können für das Design entscheidend sein.

9. Sensoren und Sensor-ICs

Sensoren wandeln einen physikalischen Zustand in ein elektrisches Signal um. Sie können Temperatur, Druck, Beschleunigung, Drehung, Magnetfeld, Licht, Schall, Entfernung, Gaskonzentration oder andere Größen messen. Sensor-ICs können Signalaufbereitung, Kalibrierungsdaten, eine digitale Schnittstelle oder integrierte Verarbeitungsfunktionen enthalten.

Überprüfen Sie den Messbereich, die Genauigkeit, die Empfindlichkeit, das Rauschen, die Ansprechzeit, die Versorgungsspannung, das Ausgabeformat, die Schnittstelle, das Gehäuse, die Kalibrierungsmethode und die Umgebungsbedingungen. STMicroelectronics fasst Bewegungs-, Umgebungs- und andere Sensoren unter seiner MEMS- und Sensor-Portfolio.

Viele Sensoren erfordern Maßnahmen, die über den üblichen Abgleich der Bauteile hinausgehen. Feuchtigkeit, Verunreinigungen, mechanische Beanspruchung, der Zustand des optischen Fensters und die Ausrichtung können die Leistung beeinträchtigen. Erkundigen Sie sich vor dem Kauf nach den Verpackungsvorschriften des Herstellers und legen Sie etwaige Chargen- oder Kalibrierungsauflagen fest.

10. Optoelektronische Bauteile

Optoelektronische Bauteile nutzen Licht, um Informationen zu übertragen, zu empfangen, zu erfassen, zu isolieren oder anzuzeigen. Zu dieser Kategorie gehören LEDs, Infrarotstrahler, Fotodioden, Fototransistoren, Optokoppler, Laserdioden, optische Sensoren und anzeigebezogene Bauelemente.

Bei LEDs und Emittern sollten Sie die Wellenlänge bzw. die Farbklasse, die Strahlungs- oder Lichtstärke, den Durchlassstrom, die Durchlassspannung, den Abstrahlwinkel, das Gehäuse und den Wärmepfad vergleichen. Bei Fotodioden und optischen Sensoren sollten Sie die spektrale Empfindlichkeit, die aktive Fläche, die Empfindlichkeit, den Dunkelstrom, die Ansprechgeschwindigkeit und die mechanische Ausrichtung prüfen. Bei einem Optokoppler müssen die Isolationsklasse, die CTR (Übertragungscharakteristik), die Kriech- und Luftabstandsanforderungen auf Baugruppenebene sowie die Sicherheitsanforderungen der Endanwendung berücksichtigt werden.

Fotos des tatsächlichen Geräts und der Verpackung können bei der Überprüfung einer Lieferung hilfreich sein, ersetzen jedoch nicht das korrekte Datenblatt, die Herstellerunterlagen oder Anwendungstests.

Eine praktische Checkliste für die Beschaffung

Vor dem PO	Bei Erhalt	Wann sollte man die Angelegenheit an eine höhere Ebene weiterleiten?
Gleiche vollständige Artikelnummer, Hersteller, Verpackung, Version des Datenblatts, Lebenszyklus, Menge und Dokumentationsbedarf.	Bitte richten Sie alle Fragen zu technischen Änderungen, Überarbeitungen, thermischen Aspekten, Pinbelegungen, Firmware oder sicherheitsrelevanten Themen an die technische Abteilung.	Halten Sie an, wenn es Unstimmigkeiten bei Teilenummer, Verpackung, Etikett, Charge, Zustand oder Dokumentation gibt.
Legen Sie im Voraus Ersatzwaren, die Vorgehensweise bei Mischlieferungen, Proben und den Prüfumfang fest.	Vergleichen Sie das gelieferte Material mit der vereinbarten Bestellung und den genehmigten Unterlagen.	Bitte richten Sie alle Fragen zu technischen Änderungen, Überarbeitungen, thermischen Aspekten, Pinbelegungen, Firmware oder Sicherheitsaspekten an die Technikabteilung.

Fazit

Diese Top 10 der in der modernen Elektronik verwendeten Halbleiterkomponenten umfassen die Bauteile, die den Strom leiten, Informationen verarbeiten, Daten speichern und die Elektronik mit der physischen Welt verbinden. Eine gute Beschaffung beschränkt sich nicht darauf, die Produktfamilie zu identifizieren. Sie umfasst auch die Bestätigung des genauen Bauteils, des Gehäuses, der Einsatzbedingungen, der Dokumentation sowie der Wareneingangskontrollen, die für die jeweilige Anwendung erforderlich sind.

DuoLink Electronics ist ein unabhängiger Anbieter von elektronischen Bauteilen, der Unterstützung bei der Beschaffung von Halbleitern, ICs, passiven Bauteilen und Steckverbindern sowie bei der Suche nach Stücklisten (BOM), Teilenummern, Bestandsabfragen und schwer zu findenden Bauteilen bietet. Für die Prüfung eines Angebots geben Sie bitte die Hersteller-Teilenummer, die Menge, die Zielanwendung, den Datumscode oder die Chargenanforderungen, die gewünschte Verpackung sowie etwaige Anforderungen an Dokumentation oder Prüfungen an.

Häufig gestellte Fragen

Was ist das am häufigsten verwendete Halbleiterbauteil?

Es gibt keine einheitliche Antwort, da in modernen Geräten mehrere Bauteilfamilien gemeinsam zum Einsatz kommen. Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Mikrocontroller, Speicher, Leistungs-ICs, Sensoren und optoelektronische Bauteile kommen in elektronischen Baugruppen regelmäßig zum Einsatz.

Kann ein MOSFET einen IGBT ersetzen?

Nicht nur nach Kategorie. Schaltfrequenz, Spannung, Stromstärke, Verluste, Gate-Ansteuerung, Kühlung, Topologie, Gehäuse und Schutzanforderungen müssen einer technischen Prüfung unterzogen werden.

Was sollte ein Käufer vor der Bestellung eines ICs überprüfen?

Überprüfen Sie die vollständige Hersteller-Teilenummer und das Suffix, die Verpackung, die Pin-Anzahl, den Lebenszyklusstatus, die Revision des Datenblatts, die Menge, das Verpackungsformat, die Anforderungen an den Datumscode sowie die erforderlichen Dokumente.

Reicht eine übereinstimmende Markierung auf der Oberseite aus, um die Echtheit eines Halbleiters zu bestätigen?

Nein. Der Vergleich der Kennzeichnungen ist ein Vorabprüfungsschritt. Käufer benötigen möglicherweise außerdem eine Überprüfung der Etiketten, eine Verpackungskontrolle, Unterlagen, Nachweise zur Rückverfolgbarkeit sowie risikogerechte Prüfungen.