Transistor

Bipolarer Leistungstransistor für ca. 10 A Kollektorstrom, Blick auf den strukturierten und gebondeten Chip, ca. 4,5 x 4,5 mm. Zu sehen sind die kammartigen Kontaktstrukturen von Basis (oben) und Emitter (unten). Der Kollektoranschluss wird durch das Löten des Chips an das Gehäuse gebildet.

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und zum Verstärken von elektrischen Strömen und Spannungen verwendet wird. Die Bezeichnung ist eine Kurzform für die englische Bezeichnung Transfer Varistor oder Transformation Resistor, die den Transistor als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben sollte.

Unterschieden werden zwei Arten von Transistoren.

Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Deren Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern.

Bei den unipolaren Feldeffekttransistoren (kurz: FET) werden die Anschlüsse als Gate (engl. Tor, Gatter), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Widerstand und somit der Strom der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source und das dadurch entstehende elektrische Feld gesteuert. Die Steuerung ist daher fast stromlos - bei Sperrschicht-FETs sind es nur einige nA, bei MOSFET´s nur pA. Der Strom im Drain - Source- Kanal darf im Gegensatz zum Kollektorstrom von Bipolartransistoren in beiden Richtungen fließen.

IGBT sind eine Kombination aus MOSFET und Bipolartransistor auf einem Chip.

Geschichte

Die ersten Patente zum Prinzip des Transistors wurden von Julius Edgar Lilienfeld in Deutschland 1928 angemeldet. Bis zur endgültigen Fertigung eines Transistors vergingen jedoch noch einige Jahre: Die Erfindung des ersten funktionierenden Transistors wird auf Dezember 1947 in den Bell Laboratories datiert. Beteiligt an der Erfindung waren William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, die 1956 den Nobelpreis dafür erhielten. In den 1950er Jahren gab es einen Wettlauf zwischen Röhre und Transistor, in dessen Verlauf die Chancen des Transistors häufig eher skeptisch beurteilt wurden.

Zuerst wurden Transistoren aus Germanium hergestellt und ähnlich wie Röhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Das Germanium wurde später durch Silizium ersetzt. Es werden auch Mischmaterialien benutzt, diese sind aber seltener vertreten.

Wenn man alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (Arbeitsspeicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde. Laut Gordon Moore, dem Mitbegründer der Firma Intel, wurde allein im Jahr 2002 eine Trillion produziert.

Kennlinien

Bipolarer Transistor

Die Arbeitsweise eines Bipolartransistors wird durch seine Kennlinien charakterisiert. Diese stellen die Spannungen und Ströme am Transistor zueinander in Beziehung. Die wichtigsten Kennlinien sind die folgenden:

Die Eingangskennlinie gibt den Basisstrom in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung an, kurz $I_{\rm {B}}(U_{\rm {BE}})$ . Da U_BE über einem PN-Übergang abfällt, gleicht diese Kennlinie einer Diodenkennlinie: Bis zur Durchlassspannung verläuft sie nahe bei null, danach steigt sie steil an.
Die Stromsteuerkennlinie gibt den Kollektorstrom in Abhängigkeit vom Basisstrom an, kurz $I_{\rm {C}}(I_{\rm {B}})$ . Für einen weiten Bereich verläuft sie linear. Dort gilt $I_{\rm {C}}=B\cdot I_{\rm {B}}$ , wobei B der Stromverstärkungsfaktor ist.

Die Ausgangskennlinie gibt den Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung bei konstantem Basisstrom an, kurz $I_{\rm {C}}(U_{\rm {CE}})$ . Manchmal wird statt des Basisstroms auch die Basisspannung als konstant festgelegt. Üblicherweise zeichnet man mehrere Ausgangskennlinien in dieselbe Grafik, wobei man verschiedene Werte für Basisstrom bzw. Basisspannung nimmt. Man spricht daher von einem Ausgangskennlinienfeld. Die Ausgangskennlinien steigen zunächst steil an. Dort arbeitet der Transistor im linearen Bereich (wird auch als "Trioden - Bereich" bezeichnet). Ab einem bestimmten Basisstrom bleiben sie in etwa konstant (die Steigung geht gegen Null; die Kennlinie wird praktisch waagerecht; der Anstieg in diesem Bereich hat seine Ursache im Early-Effekt). Dort arbeitet der Transistor im normal aktiven Bereich. Dabei ist der pn-Übergang zwischen Basis und Emitter durchlassgepolt, während der Kollektor-Basis-Übergang gesperrt ist. Für sehr kleine Kollektor-Emitter-Spannungen sind beide pn-Übergänge in Durchlass gepolt und der Transistor befindet sich im Sättigungszustand, da der Kollektor mit Elektronen gesättigt ist. Der Transistor hat auf Grund der hohen Elektronenkonzentration im Kollektor und der damit verbundenen hohen Diffusionskapazität ein schlechtes dynamisches Verhalten im Sättigungszustand.

Die Übertragungskennlinie gibt den Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung an, kurz $I_{\rm {C}}(U_{\rm {BE}})$ .

Zudem sind die meisten Transistoren in eine Art "Güteklasse" eingeteilt. Transistoren haben hinter ihrer eigentlichen Typenbezeichnung (z. B. BC547) häufig noch weitere Kennzeichnungen, die Stromverstärkungsgruppen oder (seltener) die maximale Kollektor-Emitterspannung angeben.

Feldeffekt-Transistor

Die Eingangskennlinie beim FET gibt den Drainstrom in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung bei konstanter Drain-Source-Spannung an, kurz $I_{\rm {D}}(U_{\rm {GS}})$ .

Die Ausgangskennlinien geben den Drainstrom in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung bei konstanter Gate-Source-Spannung, also $I_{\rm {D}}(U_{\rm {DS}})$ , an.