Richi´s Lab

Tesla KD501

Tesla KD501

Der KD501 ist ein von Tesla gefertigter NPN-Leistungstransistor. Die maximale Sperrspannung beträgt 40V, der maximale Strom liegt bei 20A. Als Grenzfrequenz werden 2MHz angegeben.

Die Leistungstransistoren der KD50x-Reihe waren quasi der 2N3055 des Ostblocks. Während sich die Transistoren mit dem Buchstaben D für den Betrieb im linearen Bereich eignen, wurden daraus später zusätzlich Schalttransistoren entwickelt, die an Stelle des D ein U tragen (zum Beispiel: KU605).

 

Tesla KD501 Package

Die Trägerplatte besitzt eine Aussparung, in der der relativ massive, aber niedrige Deckel befestigt ist.

 

Tesla KD501 Package Pins

Im Gegensatz zu den sonst üblicheren Anschlusspins mit einem Durchmesser von 1mm besitzt der KD501 Pins mit einem Durchmesser von 1,5mm.

 

Tesla KD501 Die coat

Das im Gehäuse enthaltene Die ist mit einer roten, silikonartigen Vergussmasse geschützt. Die Bonddrähte sind relativ massiv aufgeführt.

 

Tesla KD501 Die coat

Wie zum Beispiel beim ST 2N3055 beschrieben, kann man die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors schadlos in den Durchbruch treiben, solange man den fließenden Strom ausreichend begrenzt. Das dabei entstehende Leuchten ermöglicht es den Aufbau des Dies unter der Vergussmasse zu erahnen.

 

Tesla KD501 Die

Es zeigt sich, dass die Vergussmasse kaum am Die und am Gehäuse anhaftet, so dass es sich relativ gut entfernen lässt.

Die Kantenlänge des Dies beträgt 5,5mm. Auf dem Die wurde ein erstaunlich großer Bereich für den Basiskontakt vorgehalten.

 

Tesla KD501 Die Detail

Die Grenzfläche zwischen Basis und Emitter ist deutlich zu erkennen. Die ineinander greifenden Strukturen verjüngen sich zum Ende hin. Diese Geometrie sorgt höchstwahrscheinlich für eine gleichmäßigere Stromverteilung als bei den geraden Strukturen der Schalttransistoren wie zum Beispiel dem KU605. Wahrscheinlich unterscheidet sich auch die Dotierung, so dass sich lokal höhere Emitterwiderstände ergeben, die die Stromverteilung weiter verbessern. Im linearen Betrieb ist eine gleichmäßige Stromverteilung äußerst wichtig, um zu verhindern, dass es zu lokalen Überlastungen kommt.

 

Tesla KD501 Die Geometrie

Tesla KD501 Die Geometrie

Seitlich betrachtet zeigt sich, dass das Die am Rand eine Stufe aufweist. Es handelt sich um einen sogenannten MESA-Transistor. Bei Transistoren mit epitaktisch aufgetragener Basisschicht erstreckt sich die Basis-Kollektor-Grenzfläche bis zum Rand des Dies. Das Herausschneiden der einzelnen Dies aus einem Wafer erzeugt dort viele Störstellen, über die hohe Leckströme fließen und die die Spannungsfestigkeit reduzieren. Um diese Problematik zu entschärfen, kann vor dem Schneiden des Wafers am Rand eines jeden Transistors Material bis über die Basis-Kollektor-Grenzfläche hinaus abgetragen. Der Ätzprozess hinterlässt sehr saubere Kanten.

MESA-Strukturen werden auch bei Hochfrequenztransistoren wie dem Motorola 2N1561 eingesetzt, dort kommt es allerdings hauptsächlich auf die Reduktion der Basis-Kollektor-Kapazität an. Bei hometaxialen Transistoren wie dem RCA 2N3055H ist die MESA-Struktur notwendig, um die Basis überhaupt erst kontaktieren zu können. 

 

Tesla KD501 Die glowing

Das Datenblatt gibt als maximal zulässige Basis-Emitter-Spannung -5V an. Hier erfolgt der Durchbruch ungefähr bei -10V.

 

Während der schrittweisen Erhöhung des Stroms auf ungefähr 1A kann man beobachten wie sich die leitenden Bereiche und damit die Leuchterscheinungen ausgehend von einzelnen Punkten über die ganze Basis-Emitter-Grenzfläche ausbreitet.

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

Tesla KD501 Die glowing

 

Tesla KD501 Die glowing animation

Die Zusammenfassung als animiertes GIF.

Interessant ist, dass sich teilweise der positive Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung zeigt. Stellt man am Netzteil eine Spannung ein, die knapp für den Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke reicht und erhöht dann den Strom, so sperrt ab einem gewissen Punkt die Emitter-Basis-Strecke wieder. Der Grund dafür ist die mit steigender Temperatur steigende Durchbruchspannung.

 

Tesla KD501 Die glowing

Hier noch einmal derselbe Vorgang mit einer etwas dunkleren Belichtung und definierten Stromwerten.

~20mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~40mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~60mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~80mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~100mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~150mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~200mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~250mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~300mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~350mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~400mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~450mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~500mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~600mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~700mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~800mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~900mA

 

Tesla KD501 Die glowing

~1000mA

 

Tesla KD501 Die glowing animation

Die Zusammenfassung als animiertes GIF.

 

Der umgekehrte Effekt, die Umwandlung von Licht in Strom, lässt sich ebenfalls nachweisen. Eine sehr helle LED-Beleuchtung führt zu einem Stromfluss von immerhin 3mA. Der Strom über die Basis-Emitter-Strecke scheint genauso hoch zu sein wie der Strom über die Basis-Kollektor-Strecke. Die Leerlaufspannung liegt bei ungefähr 0,55V.

 

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