Richi´s Lab

 

2N3055

 

Der 2N3055 ist ein sehr weit verbreiteter Leistungstransistor. Es handelt sich um einen Silizium-NPN-Leistungstransistor.

Viele Hersteller produzierten diesen Transistor über viele Jahrzehnte hinweg. Entsprechend kann der innere Aufbau verschiedener Generationen sehr unterschiedlich sein. Das hier zu sehende Modell ist ein älteres, das von Siemens gefertigt wurde.

 

Auf der Unterseite zeigt sich ein rundes Element, dessen Bedeutung sich im Inneren zeigt.

 

Ein einfacher, wenn auch grober Weg einen TO3-Transistor zu öffnen ist das Einspannen des Deckels in einen Schraubstock. Durch ein beständiges Verformen des Deckels über dem kompletten Umfang bricht die Abdeckung letztlich oberhalb der Bodenplatte.

Im Inneren dieses Packages befindet sich ein weißes Pulver. Es könnte sich um ein Trocknungsmittel handeln.

 

Nach einer Reinigung zeigt sich ein relativ großes Die. Der Transistor ist auf einem Sockel befestigt, der anscheinend in die Grundplatte eingepresst wurde und so auf der Rückseite des Gehäuses zu sehen ist.

Die Kontaktierung des Halbleiters erfolgt relativ massiv über zwei Blechstreifen. Während der Fertigung scheinen die beiden Kontakte zeitweise verbunden gewesen zu sein. Zwischen den beiden Pins befindet sich aufgeschmolzenes Metall, das höchstwahrscheinlich beim Auftrennen der Verbindung entstand. Vermutlich vereinfachte die Fixierung die Fertigungsabläufe.

 

Die Kontaktierung des Transistors erfolgte recht massiv, indem die Blechstreifen direkt auf das Die gelötet wurden.

Das Silizium ist mit einer durchsichtigen Schutzschicht überzogen, die sich auch über die Lötstellen und die Umgebung erstreckt. An den Rändern löst sich diese Beschichtung bereits ab.

Der Aufbau ist unspektakulär. Der Kollektor wird über das Gehäuse angebunden. Der obere Kontakt stellt den Emitter dar, der sich auf der Oberseite befindet. Der untere Bonddraht bindet die Basis an, die sich zwischen Kollektor und Emitter befindet. Die Fingerstruktur stellt sicher, dass der Emitter und die Basis über möglichst niedrige Impedanzen angebunden sind. Ohne die großflächige Nutzung der Metalllage müsste der Strom des Basisanschlusses über das hochohmigere Silizium durch die Fläche des Dies fließen, was die Eigenschaften des Transistors verschlechtern würde.

 

Ein Teil der Metalllagenoberfläche zeigt Verfärbungen in der Nähe der Kontaktierung. Entweder kam es an dieser Stelle zu Korrosion oder es handelt sich um Reste des Lötvorgangs.

 

Das Die ist sehr dünn, was den Übergangswiderstand reduziert und die Entwärmung verbessert.

 

 

Dieser 2N3055-Transistor wurde von RCA gefertigt.

 

Im Gehäuse befindet sich ein sehr großer Träger, der sich während der Öffnung verformte und auch zu einem Bruch des Halbleiters in der oberen linken Ecke führte.

 

Der Halbleiter ist kleiner als der im Siemens-Modell. Die Strukturen sehen sehr ähnlich aus. Auf der Metalllage scheint allerdings zusätzlich großzügig Lötzinn aufgebracht worden zu sein. Durch das Lötzinn konnten die Kontaktstreifen aufgelötet werden, ohne dass zusätzliches Lötzinn zugeführt werden musste. Das Die ist symmetrisch aufgebaut. An der linken Kante befindet sich eine größere Fläche, die kontaktiert werden kann, falls das Die gedreht eingebaut wurde.

 

 

Es existieren auch neuere Modelle des 2N3055, wie hier von STMicroelectronics gefertigt.

 

Im Gehäuse dieses Baustein befindet sich ein vergleichsweise kleines Die. Da die 2N3055-Transistoren nicht mehr allzu hoch eingepreist werden können, müssen die notwendigen Gewinne über Einsparungen beim Materialeinsatz erwirtschaftet werden. Mittels stärkerer Dotierung können auch kleinere Halbleiter die ursprünglichen Spezifikationen einhalten. Die älteren Transistoren sind allerdings in gewissen Punkten wie zum Beispiel dem second Breakdown oder dem Umgang mit Verlustleistung robuster. Aber auch auf den ersten Blick bessere Spezifikationen der neueren 2N3055-Transistoren können zu Problemen führen. Die kleineren Strukturen haben höhere Grenzfrequenzen und Verstärkungsfaktoren. Werden alte Bauteile durch neue ersetzt, so kann es abhängig von der umgebenden Schaltung zu ungewollten Schwingungen kommen.
Mittlerweile finden sich auch immer wieder 2N3055-Fälschungen, die die Datenblattwerte nicht einhalten.

 

Das Die selbst trägt eine minimal andere Struktur, ist aber ebenfalls unspektakulär.

 

Die Bonddrähte scheinen nicht über die klassische Wedge-Technik mit dem Die verschweißt worden zu sein. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgte über die Seiten des Drahtes.

 

An einem offenen Bipolartransistor lässt sich ein interessanter Effekt beobachten. Legt man an die Basis-Emitter-Strecke eine negative Spannung an und treibt den pn-Übergang in den Durchbruch, so beginnt dieser zu leuchten. Das Datenblatt gibt maximal -7V für die Basis-Emitter-Strecke an. In diesem Transistor tritt der Durchbruch bei ungefähr 12V auf. Der Strom muss natürlich begrenzt werden, um die Strukturen nicht sofort zu zerstören. Gleichzeitig führt aber ein höherer Strom zu einem helleren Leuchten. In diesem Fall wurden 0,5A eingestellt. Der thermische Kapazität des großen Transistors ist groß genug, so dass er mit der Verlustleistung von 6W einige Sekunden zurecht kommt.

Siliziumhalbleiter leuchten üblicherweise nicht im sichtbaren Bereich. Die Bandlücke des Materials ist so klein, dass sich abgestrahlte Wellenlängen weit im Infrarotbereich befinden. In diesem Fall handelt es sich allerdings nicht um eine Rekombination von Ladungsträgern an einem pn-Übergang, sondern um einen Lawinendurchbruch, bei dem Ladungen so stark beschleunigt werden, dass sie weitere Ladungsträger erzeugen. Die relativ unkontrollierte Generation und Rekombination von Ladungsträgern führt zu einer minimalen aber doch sichtbaren Leuchterscheinung.

 

Die Leuchterscheinung tritt genau an der Grenzfläche zwischen Basis und Emitter auf.

 

Das gleiche Experiment lässt sich mit dem großen von Siemens gefertigten 2N3055-Transistor durchführen. Der Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke erfolgt hier erst bei enormen -70V. Das zeigt, dass in das ältere Substrat eine niedrigere Dotierung eingebracht wurde. Niedrige Dotierungen führen zu hohen Spannungsfestigkeiten. Auch dieser Unterschied zwischen den alten und den neuen Modellen des 2N3055 kann in der Praxis zu Problemen führen, da neuere Austauschmodelle weniger robust gegenüber negativen Basis-Emitter-Spannungen sind.

Es scheint außerdem, dass nur die Basis-Emitter-Strecke in der oberen Hälfte des Halbleiters aufleuchtet. Der Grund dafür könnte die Unsymmetrie im Aufbau des Halbleiters sein. Die Zuführung des Basisanschlusses erfolgt schließlich sehr massiv von oben.

 

Im Detail zeigt sich die Leuchterscheinung als nicht durchgehend. Das könnte an Inhomogenitäten im Halbleiter liegen, es könnte aber auch nur eine zufällige Verteilung auf Grund der Größe des Halbleiters und der damit einhergehenden niedrigeren Stromdichte sein.

 

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