Der Transistor

Allgemeines

Der Transistor ist neben der Halbleiterdiode das wichtigste aktive Bauelement in der modernen Elektronik und besitzt wesentlich günstigere Eigenschaften als beispielsweise eine Röhre. Bipolare Transistoren bestehen aus einer npn- oder pnp-Schichtfolge. Sie werden überwiegend aus Silizium gefertigt. Frühere, aus Germanium, gefertigte Transistoren werden nur noch für Sonderzwecken verwendet.
Transistoren aus Mischkristallen (z. B. Galliumarsenid) könnten in der Zukunft mehr an Bedeutung erlangen.

Funktionsweise eines Sperrschichttransistors

Ein Sperrschichttransistor besteht aus drei Schichten unterschiedlichdotierten Halbleitermaterials. Es gibt n-dotiertes Material mit freien Elektronen und p-dotiertes Material mit freien Löchern, d.h. fehlenden Elektronen. Aus diesem Grund gibt es npn- und pnp-Transistoren, wobei die Reihenfolge der Buchstaben die Schichtfolge beiden

beschreibt. Die beiden möglichen Aufbauarten sind in Bild 1 dargestellt.

Mit dem Buchstaben B kennzeichnet man die Basis, mit C den Kollektor (engl. Collector) und mit E den Emitter. Jeweils 2 Anschlüsse zueinander bilden hierbei eine Diode, die in einer Richtung leitet und in der anderen sperrt. Sinn eines Transistors ist jedoch nicht, irgendwelche Ströme gleichzurichten. Er soll vielmehr als stromverstärkendes Bauelement wirken, wobei die Basis als Steueranschluss dient. Ein kleiner Strom, der bei einem npn-Transistor in den Basisanschluss hineinfließt, soll dazu dienen, den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter zu steuern. Die Funktionsweise sei nachfolgend anhand eines npn-Transistors erklärt. Ein pnp-Transitor funktioniert genauso, nur dass aufgrund seines inversen Aufbaus alle Polaritäten vertauscht sind.

Zuerst einmal wollen wir die Betriebsspannung anlegen, und zwar den Pluspol an den Kollektor und den Minuspol an den Emitter. An den Basisanschluß werden null Volt gelegt, d.h. er wird direkt mit dem Emitter verbunden. Resultat ist, daß kein Strom fließt, denn der Kollektor bildet mit der Basis eine in Sperrichtung betriebene Diode, wie in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Gesperrter npn- Transistor

Nun wollen wir zwischen Basis und Emitter eine positive äußere Spannung anlegen. Resultat ist zuerst einmal, dass ein Stromfluß stattfindet, den die Basis-Emitterdiodenstrecke wird in Flußrichtung betrieben. Es fließen also Elektronen vom Emitter in die p-dotierte Halbleiterschicht, wo sie Löcherstellen besetzen. Aus der Basis fließt daher die exakt gleiche Anzahl von Elektronen hinaus. Gleichzeitig findet jedoch noch ein 'Dreckeffekt' statt: Da die p-leitende Halbleiterschicht dünn ist, finden einige Elektronen in der p-dotierten Schicht nicht sofort ein Loch und gelangen in die darüberliegende n-dotierte Schicht. In dieser werden sie jedoch sofort in Richtung des Pluspols gesaugt. Und da die Anzahl der freien Ladungsträger im Material immer konstant ist, fließt ein Elektron aus dem Kollektor heraus.

Bild 3: Leitender npn-Transistor

Resultat ist, dass man durch einen Stromfluss von Basis zu Emitter (d.h. Elektronenfluss von Emitter zu Basis) den Stromfluss von Kollektor zu Emitter steuern kann. Im Beispiel oben ist es eher ein 'Dreckeffekt', aber die Halbleiterhersteller sorgen in der Praxis insbesondere durch eine extrem dünne aber großflächige Basisschicht dafür, dass schon kleine Basisströme einen großen Kollektor-Emitter-Strom zur Folge haben. Das Verhältnis von Kollektor-Emitter-Strom zu Basisstrom nennt man Stromverstärkungs-

faktor. Dieser Stromverstärkungsfaktor kann bei einem einzelnen Transistor Werte von bis zu 1000 betragen. Bei einem Basisstrom von einem tausendstel Ampere (1 mA) fließt damit ein ganzes Ampere durch den Kollektor. Auf der Emitterseite kommt zu dem Ampere genaugenommen noch der Basisstrom hinzu, so daß hier 1,001 A fließen.

Der Stromverstärkungsfaktor hängt von der Bauart ab und ist in weiten Bereichen eine Konstante. Ein Transistor ist also ein stromgesteuertes Halbleiterelement. Er verstärkt zwar nicht wirklich Ströme, wie die Bezeichnung Stromverstärkung vermuten lässt, aber der Kollektor- und damit Emitterstrom folgt bei angelegter äußerer Spannungsquelle mit hoher Präzision einem kleinen Steuerstrom, der in die Basis fließt. Aus diesem Grund kann man mit Transistoren Verstärker aufbauen, die winzige elektrische Signale linear sehr stark verstärken, wie dies beispielsweise Audioverstärker eindrucksvoll beweisen. Man denke nur an den Phonoeingang für die ehemals weitverbreiteten Plattenspieler, wo kleinste Spannungen im Millivoltbereich und darunter soweit verstärkt werden, daß Lautsprecher einen ordentlichen Schalldruck produzieren.

Transistoren sind in der Praxis nicht symmetrisch aufgebaut. Zur Erzielung eines hohen Stromverstärkungsfaktors ist nicht nur eine sehr dünne Basisschicht sondern darüberhinaus ein asymmetrischer Aufbau erforderlich, der bewirkt, dass bei vertauschtem Kollektor und Emitter die Optimierungen sich ins Gegenteil verkehren. Oft erreicht ein Transistor mit einem Stromverstärkungsfaktor von z.B. 500 im umgekehrten Betrieb nur den Faktor 10. Weiterhin ist die Spannungsfestigkeit deutlich geringer.

Transistoren können nicht nur als lineare Stromverstärker verwendet werden sondern auch als Schalter. Hierbei schleift man einen Verbraucher wie z.B. eine Lampe entweder in die Kollektor- oder Emitterleitung ein. Sorgt man dafür, dass der Steuerstrom so groß ist, dass der Kollektor- bzw. Emitterstrom unter Zugrundelegung des Stromverstärkungsfaktors größer ist als der reale Strom, der durch die Lampe fließt, wird der Transistor maximal leitend. Denn der Transistor versucht, den dem Steuerstrom entsprechenden Kollektor- bzw. Emitterstrom fließen zu lassen. Da hier aber die Lampe nicht soviel Strom fließen lässt wie der Transistor möchte, regelt der Transistor sozusagen als Notmaßnahme total auf, um soviel Strom wie möglich fließen zu lassen. Bei abgeschaltetem Steuerstrom ist der Transistor gesperrt und es fließt kein Strom durch die Lampe. Somit wirkt der Transistor in diesem Fall als Schalter. Der große Vorteil eines Transistors als Schalter ist, daß es weder mechanisch bewegte Teile gibt noch irgendwelche Kontakte sich abnutzen können, denn ein Transistor arbeitet verschleissfrei.

Transistor-Kennlinien

Steuerkennlinienfeld I_C = f (I_B) Ausgangskennlinienfeld I_C = f (U_CE)

Eingangskennlinienfeld I_B = f (U_BE)

Eingangskennlinienfeld I_B = f(U_BE)

Es handelt sich dabei um eine Diodenkennlinie, der PN-Schicht zwischen Basis und Emitter. Sie bestimmt bei welcher Basisvorspannung der Transistor leitend wird.

Ausgangskennlinienfeld I_C = f (U_CE)

Das Ausgangskennlinienfeld gibt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom I_C und Kollektor-Emitter-Spannung U_CE bei verschiedenen Basisströmen an.
Jede Kennlinie gilt für einen bestimmten Basisstrom.

Steuerkennlinienfeld I_C = f (I_B)

Aus der Darstellung I_C = f (I_B) kann die Stromverstärkung direkt aus der Steilheit der Kennlinie abgelesen werden:

je steiler die Kennlinie, desto größer die Stromverstärkung B und ß

bei gekrümmten Kennlinien entstehen Verzerrungen im Ausgangssignal

bei gekrümmten Kennlinien ist die Verstärkung nicht konstant

Die Steuerkennlinie wird auch als Übertragungskennlinie bezeichnet.

Gleichstromverstärkung B

Wechselstromverstärkung ß

Transistor-Grundschaltungen

Transistorarten

Neben den bipolaren Transistoren gibt es auch Transistoren, die unipolar sind.

Sie arbeiten mit gleichgepolten pn-Übergängen. Der Stromfluß wird zwischen Drain und Source durch die an Gate angelegte Spannung gesteuert.
Je nach Spannung kann der Widerstandswert dieses Kanals vergrößert oder verkleinert werden.

Hier eine grobe Übersicht über die verschiedenen Transistorarten.

Verwendung in der Elektronik

Der Transistor ist das zentrale Element der modernen Elektronik. Transistoren kommen in elektronischen Geräten daher meistens in großer Zahl zum Einsatz. Statt einzelner Transistoren in einem eigenen Gehäuse werden zunehmend sogenannte integrierte Schaltungen verwendet, bei denen mitunter extrem viele Transistoren auf einem einzigen Chip angeordnet sind. Bei modernen Mikroprozessoren kann die Anzahl der Transistoren mehrere Millionen betragen. Während in der Analogelektronik nach wie vor gerne Sperrschichttransistoren eingesetzt werden, verwendet man in der Digitaltechnik vorzugsweise sogenannte MOS-FET-Transistoren (Metallschicht-Feldeffekttransistoren). Diese basieren auf einem anderen Wirkungsprinzip als Sperrschichttransistoren und ähneln in ihrer Funktionsweise wie auch den Kennlinien Röhren. Dem Nachteil etwas ungünstigerer Kennlinien, der sich in der Digitalelektronik jedoch nicht auswirkt, steht der Vorteil gegenüber, dass sie spannungsgesteuert arbeiten und nicht stromgesteuert wie Sperrschichttransistoren. Dadurch erreicht man eine deutlich geringere Stromaufnahme. Denn bei einem angenommenen Basisstrom von 1 mA, was nicht viel ist, ergäbe alleine die Summe der Basisströme bei 1 Million Transistoren eine Stromaufnahme von 1000 A!

Berkant A. Noeth ( FT11A)

Fachbericht: TRANSISTOR

von Berkant A. Noeth

FT11a

Fachlehrer: Herr Zänglein

Abgabetermin: 3.5.2002