Geöffnete Bauteile

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Ein Blick ins Innere 

Letzte Änderumg: 13. November 2020

Nach vielen Jahren als Elektronikbastler – oder vielleicht auch gleich zu Anfang – fragt man sich, wie denn die Bauteile tatsächlich von innen aussehen. Natürlich finden sich dazu viele Erklärungen und – meist schematische – Zeichnungen. Photos von geöffneten Bauteilen sind aber rar. Dem will ich hier Abhilfe verschaffen.

Der Kohle­schicht­wider­stand

Der Kohleschichtwiderstand besteht aus einem keramischen Kern, der mit einer Schicht aus Kohle überzogen ist. Um den Widerstandswert einzustellen, ist die Kohleschicht gewendelt, so daß eine längere und schmalere Bahn entsteht, und damit ein höherer Widerstand ↥[Wikipedia]. Nachteil der Sache ist, daß man damit auch gleich eine Spule gebaut hat, so daß Kohleschichtwiderstände nicht besonders HF-tauglich sind

Die Frage ist nun: Wie groß ist denn so eine Wendel? Wie viele Windungen ergeben sich? Um das Geheimnis zu lüften, habe ich einen Widerstand aufgeschliffen. Das Ergebnis ist hier zu sehen.

Kohleschichtwiderstand.jpg

Kohleschichtwiderstand, 100 kΩ

Ein IC: Der Ope­ra­tions­ver­stär­ker UA 741

Ein IC zu öffnen ist nicht ganz einfach. In Halbleiterfirmen wird soetwas zwar routinemäßig gemacht, es werden aber Chemikalien benötigt, die man entweder nicht zu Hause stehen haben will (konzentrierte Schwefelsäure) oder weder zu Hause stehen haben darf noch will (konzentrierte Salpetersäure). Wenn man mit derartigen Säuren unter Zufuhr von Wärme ein Loch in das Kunststoffgehäuse ätzt, kann man den Chip nicht nur sehen, er funktioniert sogar noch! Total praktisch für’s Reverse-Engineering ;-).

Wenn man aber nur mal einen Eindruck davon haben will, wie groß der Chip eigentlich im Vergleich zum Gehäuse ist, geht es auch einfacher: Man sägt den IC einfach auf. Im Folgenden habe ich zwei Schnitte gemacht, so daß man sowohl die Chipfläche als auch die Höhe erkennen kann.

IC-aufgeschnitten.jpg

IC, aufgeschnitten (UA 741)

Im linken Schnitt erkennt man den kupfernen ↥Lead-Frame, im rechten Schnitt ist – silberfarben – der Siliziumchip zu sehen ist.

Ein Tran­sis­tor: 2N2222

Der Nächste Kandidat auf dem Seziertisch ist ein Transistor. Wenn man hier einen (halbwegs) modernen Kleinsignaltransistor im TO-92-Gehäuse nimmt, stößt man auf die gleichen Probleme wie bei einem IC: Man bekommt das Gehäuse nicht ordentlich aufgelöst. Dummerweise ist ein Transistor so klein, daß man ihn beim aufsägen nicht notwendigerweise auch findet. Vielleicht sägt man ihn auch gerade weg.

Glücklicherweise werden Transistoren auch heute noch im nicht mehr ganz modernen TO-18-Gehäuse angeboten. Diese Metallgehäuse sind innen hohl, so daß man sie nur aufzusägen braucht, und schon erhält man eine schöne Aussicht auf den Transistor. Für meinen Versuch habe ich einen 2N2222 gewählt, der, ähnlich wie der auch sehr bekannte BC547, ein Epitaxial-Planar-Transistor ist. Er besteht aus einem n-Substrat als Kollektor, in das eine p-Wanne als Basis und wieder ein n-Bereich als Emitter eingebracht werden (siehe Skizze unten links). Der Chip ist im Gehäuse auf dem Metallboden befestigt, und daraus folgt, daß das Gehäuse solcher Transistoren immer mit dem Kollektor verbunden ist.

Transistor-Skizze.jpg

Epitaxial-Planar-Transistor, Skizze. Links: Schnitt, rechts: Aufsicht

Unten ist nun der Transistor, ein 2N2222, zu sehen, rechts im Originalzustand und links geöffnet. Man erkennt die Durchführungen der Beinchen für Emitter und Basis. Der Chip und die Bondingdrähte sind so gerade noch zu erkennen.

2N2222-auf-zu.jpg

Transistor 2N2222 im TO-18-Gehäuse. Rechts Originalzustand, links geöffnet

Um den Chip noch genauer begutachten zu können, habe ich ihn noch einmal vergrößert. Ok, mein Photoapparat kommt hier an seine Grenzen, also habe ich den Transistor durch die Arbeitsplatzlupe photographiert. Das fürhrt zwar zu leichten Verzeichnungen, aber trotzdem kann man den Chip gut erkennen.

2N2222-beschriftet.jpg

Der Chip des 2N2222

Die Flächen für Emitter, Basis und – ganz am Rand – Kollektor sind durch dunkle Linien voneinander getrennt. Die Zuordung ist auch oben in der Skizze der Aufsicht dargestellt.

2N2222 als Photo­tran­sis­tor

Im Prinzip kann jeder PN-Übergang alles, was PN-Übergänge halt so können. Dazu gehört auch der innere Photoeffekt. Demzufolge sollte es im Prinzip möglich sein, jeden Transistor als Phototransistor zu benutzen.

Das Funktionsprinzip des Phototransistors ist foglendes: Die Basis-Kollektor-Diode wird im normalen Betrieb in Sperrichtung betrieben. An der Oberfläche des Transistorchips kann man diesen PN-Übergang beleuchten. Dadurch entstehen Elektornen-Loch-Paare in der Sperrschicht, und es fließt ein Strom. Die Skizze und die Ersatzschaltbilder unten zeigen, daß der Kollektor-Basis-Strecke praktisch eine Photodiode parallelgeschaltet ist. Der Strom dieser Photodiode kommt in der Basis an und fließt zum Emitter ab. Dadurch wird der Transistor ausgesteuert, und es fließe ein großer Kollektor-Emitter-Strom.

Phototransistor-Skizze.jpg Phototransistor-Ersatzschaltbild.jpg

Phototransistor: Skizze und Ersatzschaltbild

Bei einem richtigen Phototransistor wird man sich nun bemühen, eine große Lichtempfindliche Fläche am Basis-Kollektor-Übergang zur Verfügung zu stellen. Den Anspruch hatte man beim 2N2222 natürlich nicht. Dennoch funktioniert er ziemlich gut als Phototransistor, wie das folgende Video zeigt.

2N2222 als Phototransistor