Transistoren » Unverzichtbare elektronische Bauteile zum Schalten, Steuern und Verstärken
Veröffentlicht: 14.05.2024 | Lesedauer: 8 Minuten
Transistoren gehören zweifelsohne mit zu den wichtigsten elektronischen Bauelementen. Sie dienen als kontaktloser Schalter sowie der Verstärkung und Steuerung elektrischer Signale. In Verbindung mit weiteren Bauteilen können Transistoren sogar als Oszillator elektrische Signale erzeugen.
Bei den Einsatzmöglichkeiten von Transistoren gibt es so gut wie keine Grenzen. Deshalb sind auch die Bauausführungen, Bauformen und Kombinationsmöglichkeiten scheinbar grenzenlos. Es gibt Transistoren einzeln oder auch milliardenfach auf einem Chip in Briefmarkengröße.
Gerne erklären wir Ihnen, wie diese aktiven Bauelemente aufgebaut sind, wie sie grundsätzlich funktionieren und welche Typen auf dem Markt bevorzugt werden.
Der Name Transistor setzt sich aus den englischen Begriffen „Transfer“ für Übertragung und „Resistor“ für Widerstand zusammen. Die beiden Begriffe beschreiben recht genau das, was einen Transistor auszeichnet. Er kann Signale übertragen und arbeitet dafür mit einem veränderbaren Widerstand.
Dazu verfügt ein Transistor über drei Anschlüsse, die bei Bipolar-Transistoren als Basis, Kollektor und Emitter und bei Feldeffekt-Transistoren als Gate, Drain und Source bezeichnet werden. Im Inneren des Transistors befindet sich ein Halbleiterkristall aus hochreinem Silizium, das gezielt mit Fremdatomen „verunreinigt“ wurde. Fachleute sprechen in diesem Fall aber nicht von Verunreinigung, sondern von einer Dotierung.
Der mechanische Aufbau eines Transistors ist variabel und von den technischen Eckdaten abhängig. Je mehr Leistung ein Transistor bei der Anwendung verkraften soll, desto größer ist das Gehäuse, welches dann zum Teil auch die Auflagefläche für passende Kühlkörper bietet.
Das Herzstück eines Transistors besteht aus einem Halbleiterelement. Zu Beginn der Transistorentwicklung wurde noch Germanium verwendet. Mittlerweile kommt Silizium zum Einsatz.
Kristalliner Aufbau des Halbleiterelements
Wenn das hochreine Silizium mit Bor (B) oder Aluminium dotiert wurde, herrscht im Silizium ein Elektronenmangel. Bildlich gesprochen entstehen dadurch Löcher im Gitter des Halbleiters. In diesem Fall sprechen Fachleute von positiv dotiertem Silizium. Wenn für die Dotierung Phosphor (P) verwendet wurde, herrscht ein Elektronenüberschuss. In diesem Fall ist das Silizium negativ dotiert. Die überschüssigen Elektronen sind in dieser Schicht relativ locker gebunden und können sich somit frei bewegen, um zusammen mit den Löchern als Ladungsträger den elektrischen Strom zu leiten.
Grenzschicht am pn-Übergang
Wird p-dotiertes und n-dotiertes Silizium zusammengefügt, entsteht an der Kontaktstelle ein sogenannter pn-Übergang, an dem sich eine Grenzschicht ausbildet (siehe grüner Bereich in der beigefügten Abbildung).
Die genauen Vorgänge beim Dotieren, sowie die Ausbildung der Grenzschicht an einem pn-Übergang, haben wir in unserem Ratgeber zur Diode 1N4148 genau beschrieben.
Kristallaufbau und Ersatzschaltbild eines Transistors
Ein Transistor hat aber nicht nur einen pn-Übergang. Durch die Anreihung von drei abwechselnd dotierten Halbleiterschichten entstehen zwei pn-Übergänge. Darum werden diese Transistoren auch als bipolare Transistoren oder Bipolartransistor bezeichnet. Je nach Reihenfolge der dotierten Kristalle entsteht entweder ein NPN Transistor oder ein PNP Transistor.
Auch wenn die Stromrichtung und die Vorspannungen bei den beiden Transistortypen unterschiedlich sind, ist die grundsätzliche Funktion identisch.
Jedes der drei Halbleiterelemente hat eine eigene Kontaktfläche und ist dadurch mit den nach außen führenden Anschlüssen verbunden. Der Anschluss der mittleren Schicht des Halbleiters wird als Basis (B) bezeichnet und die beiden anderen Anschlüsse lauten Emitter (E) und Kollektor (C).
Wichtig: In der nebenstehenden Abbildung wurde die dünne Basisschicht zwecks besserer Darstellung wesentlich dicker gezeichnet, als sie in Wirklichkeit ist. Aber auch der Emitter und der Kollektor unterscheiden sich. Obwohl sie die gleiche Polung der Dotierung aufweisen, hat der Emitter eine wesentlich höhere Dichte an Fremdatomen und ist somit höher dotiert.
Die grundsätzliche Funktion eines Transistors lässt sich recht einfach beschreiben:
Aufgrund des internen Aufbaus reicht ein geringer elektrischer Strom zwischen Basis und Emitter aus, um einen deutlich höheren Strom zwischen Kollektor und Emitter zu steuern.
Damit die beiden Ströme fließen können, ist es erforderlich, den Transistor mit den erforderlichen Spannungen zu versorgen. Denn ohne elektrische Spannung gibt es keinen elektrischen Strom.
Sobald der Transistor mit Spannung versorgt wird, verändern sich die Eigenschaften des Halbleiterelements im Inneren. Bereits minimale Änderungen der Basisspannung, und somit auch des Basisstroms, reichen aus, damit der Transistor mehr oder weniger leitet.
Welche Veränderungen im Halbleiterelement ablaufen, haben wir in unserem Ratgeber zum npn-Transistor BC547 ausführlich beschrieben.
NPN und PNP Transistoren haben unterschiedlich aufgebaute Halbleiterkristalle und unterscheiden sich in der Stromflussrichtung. Demzufolge ist auch die Polung der anzulegenden Spannung unterschiedlich:
NPN-Transistor
Bei einem NPN-Transistor muss die Basis ein um 0,7 Volt positiveres Potential als der Emitter aufweisen, damit der Transistor leitend wird und der Strom vom Kollektor zum Emitter fließt.
PNP-Transistor
Bei einem PNP-Transistor muss die Basis ein um 0,7 Volt negativeres Potential als der Emitter aufweisen, damit der Transistor leitend wird und der Strom vom Emitter zum Kollektor fließt.
Transistoren können innerhalb einer elektronischen Schaltung unterschiedliche Funktionen übernehmen. Die beiden wesentlichen Aufgaben wollen wir Ihnen gerne anhand eines einfachen Schaltungsbeispiels etwas näher erläutern. Neben dem NPN-Transistor befinden sich noch eine LED und der dazugehörige Vorwiderstand (R1). Der erforderliche Basisstrom fließt über den Basis-Widerstand R2 und den Kontakt K1.
NPN-Transistor als Schalter
Wenn der Kontakt K1 offen ist, liegt an der Basis keine Spannung an und es kann auch kein Basisstrom fließen. Demzufolge ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors hochohmig und es fließt auch kein Kollektorstrom über den gesperrten Transistor. Die LED bleibt dunkel. Wenn der Kontakt K1 geschlossen wird, kann ein Basisstrom fließen. Die Stromstärke wird vom Basiswiderstand R2 begrenzt und ist so ausgelegt, dass der Transistor maximal leitend ist. Fachleute sprechen dann vom Sättigungszustand. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors wird niederohmig und die LED leuchtet.
NPN-Transistor als Verstärker
Wenn die beiden Anschlüsse von Kontakt K1 mit den Fingern berührt werden, ergibt sich ein Basisstrom, der vom Widerstand der Haut abhängig ist. Bei trockener Haut ist der Widerstand groß und der Basisstrom entsprechend gering. Dadurch ist der Kollektorstrom gering und die LED leuchtet schwach. Bei feuchter Haut ist der Hautwiderstand geringer und der Basisstrom ist größer. Als Folge davon leuchtet die LED heller. Ein geringer Basisstrom, der vom ständig wechselnden Hautwiderstand abhängig ist, wird vom Transistor um ein Vielfaches verstärkt. Darum leuchtet die LED unterschiedlich hell.
PNP-Transistor als Schalter oder Verstärker
Die Schaltung funktioniert sowohl im Aufbau mit einem NPN-Transistor oder auch entsprechend der oben aufgeführten Skizze mit einem PNP-Transistor.
Wichtig ist, dass der Schaltkontakt K1 entsprechend der beigefügten Abbildungen in den Basisstromkreis eingesetzt wird.
PNP/NPN als Schalter, wohin mit der Last?
Die oben aufgeführten Schaltungsbeispiele zeigen, dass sowohl PNP- als auch NPN-Transistoren als Schalter dienen können. Allerdings müssen die Transistoren entsprechend ihrer Funktion richtig beschaltet werden. Bei einem NPN-Transistor wird die Last, die im gezeigten Beispiel aus der LED1 und dem Vorwiderstand R1 besteht, zwischen dem Plus-Potential der Versorgungsspannung UB und dem Kollektor angeschlossen. Bei einem PNP-Transistor befindet sich die Last zwischen dem Kollektor und dem Minuspotential der Betriebsspannung.
Bei den Transistoren gibt es zwei wichtige Gruppen: Die bipolaren Transistoren und die unipolaren Feldeffekttransistoren, abgekürzt FET. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Art der Ansteuerung, sondern auch bei der Bezeichnung der Anschlüsse. Bei Bipolartransistoren gibt es Basis, Kollektor und Emitter, FETS dagegen verwenden Gate, Drain und Source.
Bipolartransistor
Ein Bipolartransistor (BJT für bipolar junction transistor) ist ein Transistortyp, der sowohl Elektronen als auch Elektronenlöcher als Ladungsträger verwendet. Im Gegensatz dazu nutzt ein unipolarer Typ wie der Feldeffekttransistor nur eine Art von Ladungsträgern. BJTs verwenden zwei Übergänge zwischen zwei Halbleitertypen, n oder p, die sich in einem Einkristall befinden. Bipolartransistoren werden nach wie vor zur Verstärkung von Signalen, als Schalter und in digitalen Schaltungen verwendet.
Darlington-Transistor
Bei einem Darlington-Transistor handelt es sich um eine Schaltung, die aus zwei BJTs besteht. Der Emitter des ersten Transistors ist mit der Basis des Zweiten verbunden. Effekt: Der vom ersten BJT verstärkte Strom wird durch den zweiten BJT weiter verstärkt. Die Kollektoren beider BJTs sind miteinander verbunden. Diese Konfiguration besitzt eine viel höhere Stromverstärkung als jeder BJT für sich genommen. Die Funktionsweise der Darlington-Schaltung, sowie die Integration in einen Schaltkreis haben wir in unserem Ratgeber zum IC ULN2003 genau beschrieben.
Feldeffekttransistor
Der Feldeffekttransistor, abgekürzt FET, verwendet ein elektrisches Feld zur Steuerung des Stromflusses in einem Halbleiter. FETs steuern den Stromfluss durch Anlegen einer Spannung an das Gate, die wiederum die Leitfähigkeit zwischen Drain und Source verändert. FETs werden auch als unipolare Transistoren bezeichnet, da sie im Ein-Träger-Betrieb arbeiten. Das heißt, FETs verwenden entweder Elektronen oder Löcher als Ladungsträger, aber nicht beide. Der am häufigsten verwendete Feldeffekttransistor ist der MOSFET, der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor.
MOSFET
Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder MOSFET ist ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, der durch die kontrollierte Oxidation eines Halbleiters, in der Regel Silizium, hergestellt wird. Die Spannung des abgedeckten Gates bestimmt die elektrische Leitfähigkeit des Bauelements. Der MOSFET ist der Grundbaustein moderner Elektronik und das am häufigsten hergestellte Bauelement in der Geschichte. Sein wesentlicher Vorteil: Im Vergleich zu bipolaren BJTs benötigt er fast keinen Eingangsstrom zur Steuerung des Laststroms.
IGBT
Bei einem IGBT (insulated-gate bipolar Transistor) handelt es sich um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Ein IGBT vereint die Vorteile eines Bipolartransistors, wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung und Robustheit mit der leistungslosen Ansteuerung eines Feldeffekttransistors. IGBTs werden deshalb vorzugsweise in der Leistungselektronik eingesetzt. Neben den n- und p-Kanal IGBTs gibt es noch selbstleitende und selbstsperrende Varianten.
Sperrschicht-Feldeffekttransistor
Im Gegensatz zu BJTs sind Sperrschicht-Feldeffekttransistoren oder JFETs ausschließlich spannungsgesteuert, das bedeutet, sie benötigen keinen Vorspannungsstrom. Die elektrische Ladung fließt durch einen Halbleiterkanal zwischen Source- und Drain-Anschluss. Durch Anlegen einer Sperrvorspannung an einem Gate-Anschluss wird der Kanal sozusagen abgeklemmt. Der elektrische Strom wird behindert oder ganz abgeschaltet. Ein JFET ist in der Regel eingeschaltet, wenn zwischen Gate- und Source-Anschluss keine Spannung anliegt.
Transistoren sind in vielen verschiedenen Halbleitergehäusen erhältlich. Die Gehäuse bestehen aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff und sind größtenteils genormt. Nicht genormt ist die Anschlussbelegung, die bei Bedarf im Datenblatt nachgelesen oder mit einem Transistortester messtechnisch ermittelt werden muss.
Leistungstransistoren besitzen in der Regel größere Gehäuse, die zur besseren Kühlung an Kühlkörper geklemmt werden können. Außerdem ist bei den meisten Leistungstransistoren der Kollektor oder Drain physisch mit dem Metallgehäuse verbunden.
Kleintransistoren werden je nach Montageart entweder bedrahtet oder als SMD-Variante angeboten.
Was sind bipolare Transistoren?
Bipolare Transistoren oder auch BJTs sind klassische Transistoren, die mit zwei pn-Übergängen ausgestattet sind. Die Ansteuerung eines bipolaren Transistors erfolgt mit Hilfe eines geringen Basisstroms.
Wo werden bipolare Transistoren verwendet?
Bipolartransistoren kommen nach wie vor zur Verstärkung von Signalen, als Schalter und in digitalen Anwendungen zum Einsatz. Aber auch zu Schulungszwecken und zum Experimentieren sind die robusten Transistoren perfekt geeignet.
Wo werden Transistoren als Schalter verwendet?
Transistoren werden immer dann als Schalter genutzt, wenn die Schaltleistung bei Mikrocontrollern oder sonstige Elektronikschaltungen nicht ausreichend ist. Das kann vorkommen, wenn z.B. der Schaltausgang eines Controllers max. 20 mA liefert, aber ein Relais angesteuert werden soll, bei dem die Spule über 50 mA Strom benötigt. Wichtig: Um den Schalttransistor beim Ausschalten vor Induktionsspannungen zu schützen, muss eine Diode (Freilaufdiode) in Sperrrichtung parallel zur Relaisspule geschaltet werden.
Was sind Transistor-Arrays?
Eine besondere Bauform sind Transistor-Arrays. Sie bestehen aus zwei oder mehr Transistoren auf einem gemeinsamen Gehäuse und lassen sich einzeln wie diskrete Bauelemente verwenden. Klassische Transistor-Arrays sind beispielsweise die Schaltbausteine ULN2003 oder ULN2803, die wir bereits ausführlich beschrieben haben.