Transistor

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und Verstärken von elektrischem Strom verwendet wird. Die Bezeichnung ist eine Kurzform für die englische Bezeichnung transfer resistor, die den Transistor als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben sollte.

Schaltzeichen
Bipolar NPN-Transistor

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 Emitter-Kollektor-Strecke steuern.

• Bei Feldeffekttransistoren (kurz: FET) werden die Anschlüsse als Gate (engl. Tor, Gatter), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung erfolgt (nahezu) stromlos.

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Eine Auswahl von Transistoren

Geschichte

Nachbau des ersten Transistors von Shockley Bardeen, Brattain

Die Erfindung des Transistors wird allgemein 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.

Wenn man alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (Speicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die je 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

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

• Die Stromsteuerkennlinie ist nur für den Bipolartransistor definiert. Sie 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 beim Bipolartransistor 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 Sättigungsbereich. Ab einer bestimmten Spannung bleiben sie in etwa konstant. Dort arbeitet der Transistor im Verstärkungsbereich. Die Ausgangskennlinien beim FET geben den Drainstrom in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung bei konstanter Gate-Source-Spannung an, kurz $I_{\rm {D}}(U_{\rm {DS}})$. Sie verlaufen ähnlich wie beim Bipolartransistor.

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

Varianten von Transistoren

• Bipolartransistor
• HBT Heterojunction Bipolartransistor
• Fototransistor
• Feldeffekttransistor FET
• Metall-Oxid-Semiconductor-FeldEffektTransistor MOSFET
• JFET: Junction Feldeffekttransistor
• MESFET: Metall Semiconductor Feldeffekttransistor
• HEMT: Junction Feldeffekttransistor
• Darlington-Transistor
• IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

Die Kennbuchstaben für den Halbleiter, die ihn grob klassifizieren werden meist aufgedruckt. Bsp: BC547c