Ein Leistungshalbleiter ist ein schalterähnliches Gerät, das hauptsächlich zum Steuern und Umwandeln von elektrischem Strom in elektronischen Schaltungen verwendet wird. Im Allgemeinen nutzen diese Vorrichtungen die elektronischen Eigenschaften von Halbleiterelementen wie Galliumarsenid, Germanium und Silizium. Diese Geräte werden auch als Leistungsgeräte bezeichnet und können im Standardbetrieb normalerweise mehr als ein Watt Leistung abgeben. Sie werden normalerweise als Leistungs-ICs bezeichnet, wenn sie in integrierten Schaltungen verwendet werden, die Millionen von Geräten enthalten können, die auf einem einzigen Halbleiter miteinander verbunden sind.
Die Grundform eines Leistungshalbleiterbauelements wurde größtenteils in den 1950er Jahren entwickelt. Ingenieur Robert N. Hall wird die Erfindung des Geräts zugeschrieben. Diese frühen Geräte aus Germanium hatten normalerweise eine Nennstromstärke von etwa 35 Ampere und eine Spannungskapazität von etwa 200 Volt. Vergleichen Sie das mit modernen Leistungshalbleitern, die häufig neben Tausenden von Volt auch mit Tausenden von Ampere umgehen.
Es gibt mehrere Arten von Leistungshalbleiterbauelementen, einschließlich einer Leistungsdiode, eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), eines Thyristors und eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT). Leistungsdioden bestehen normalerweise aus zweipoligen elektronischen Bauteilen. Sie führen typischerweise elektrische Ströme in Vorwärtsrichtung und verhindern, dass Strom in Rückwärtsrichtung kommt. Im Gegensatz zu ihren Halbleiter-Pendants mit geringer Leistung sind sie in der Lage, eine beträchtliche Strommenge zu übertragen.
Leistungs-MOSFETs sind eine der am häufigsten verwendeten Arten von Niederspannungs-Leistungshalbleiteranwendungen. Typischerweise haben sie weniger als 200 Volt und werden für Motorsteuerungen, Netzteile und DC-DC-Wandler verwendet. Wie eine Leistungsdiode ist ein Leistungs-MOSFET üblicherweise ausgestattet, um beträchtliche Mengen an elektrischer Leistung zu übertragen. Sie sind oft bei niedrigeren Spannungen effizienter und besitzen hohe Kommutierungsgeschwindigkeiten als andere Arten von Leistungshalbleitern.
Ein Thyristor ist eine Art Leistungshalbleiter, der in allen Bereichen verwendet wird, von Lichtschalterdimmern und Druckkontrollsystemen bis hin zu Motordrehzahlreglern und Flüssigkeitsstandreglern. Sie bestehen aus vier Schichten, bestehen aus abwechselnden P-Typ- und N-Typ-Materialien, und sie haben gewöhnlich drei Elektroden. Sie sind oft so ausgelegt, dass sie mit einem kleinen Auslösestrom oder einer kleinen Auslösespannung ein beträchtliches Leistungsvolumen steuern.
Ein Leistungshalbleiter mit isoliertem Gate-Bipolartransistor (IGBT) ist ein Gerät, das zum schnellen Aus- und Einschalten entwickelt wurde. IGBTs gelten als hocheffiziente Leistungshalbleiter und werden häufig in Klimaanlagen und Elektroautos eingesetzt. Stereosysteme mit Schaltverstärkern verwenden manchmal auch IGBTs, um komplexe Wellenformen zu synthetisieren.