Kleinste elektronische Bauteile: Transistoren & Dioden

Inhaltsverzeichnis

1. Was sind Transistoren?
2. Bipolartransistoren
3. Feldeffekttransistoren
4. Leistungsfähige Transistoren für die Industrie
5. Transistoren bei Bürklin Elektronik

Was sind Transistoren?

Ein Transistor ist ein elektrisches Halbleiter-Bauteil, das dem Schalten, Regeln oder Verstärken von Strömen dient. Entsprechend der jeweiligen Schaltungsart kann der Transistor wie ein Widerstand eingesetzt werden. Dabei lassen sich die Ströme individuell „steuern“ beziehungsweise „regulieren“. Außerdem kann Strom abgebremst oder der Stromfluss vollständig unterbrochen werden – in diesem Fall fungiert der Transistor als Schalter.

Der Stromfluss lässt sich durch einen Transistor auch erhöhen, insofern wird das elektronische Bauteil als Verstärker genutzt. Häufig sind in elektronischen Geräten Feldeffekttransistoren (FET) oder Bipolar-Transistoren (BJT) verbaut.

Wozu dient ein Transistor?

Im Kern ist ein Transistor ein strom- oder spannungsgesteuerter Widerstand der häufig aus Silizium besteht. Im Inneren befinden sich Elektronen und sogenannte Löcher (Defektelektronen) zwischen denen sich die Teilchen bewegen können. Durch die Bewegung der Teilchen lässt sich Strom steuern (= verstärken, schalten beziehungsweise regeln). FET sind spannungsgesteuert, während BJT stromgesteuert sind.

Das bedeutet: Der Widerstandswert des Transistors kann durch den Stromfluss oder das Anlegen einer Spannung verändert werden. Dadurch lassen sich Ströme in einem Schaltkreis beziehungsweise einem elektrischen Gerät regulieren, schalten oder verstärken – ohne mechanischen Prozess (wie beispielsweise bei einem Wipp- und Kippschalter).

Welche Transistoren gibt es?

Es gibt zwei grundsätzliche Formen von Transistoren: spannungsgesteuerte und stromgesteuerte. Sie unterscheiden sich einerseits in der Steuerung des Widerstandswertes (durch die Spannung oder Strommenge) und zum anderen durch die Art der Ladungsträger. Bei BJT (Bipolar-Transistoren) sind es Elektronen und Löcher (= Defektelektronen), bei FET (Feldeffekttransistoren) sind es Elektronen oder Löcher.

Wo kommen Transistoren zum Einsatz?

Transistoren sind in beinahe allen elektronischen Geräten verbaut. Ob in Smartphones, Computern, Ladegeräten oder Netzwerken: Sie können zum Schalten und Steuern der Funktion von Lampen, Relais oder Motoren verwendet werden und dienen grundsätzlich der Kontrolle von Strömen oder Spannungen.

Bipolartransistoren

Bipolartransistoren (BJT) bestehen aus drei dotierten Halbleiterschichten. Der Zusatz NPN oder PNP gibt Aufschluss über die Dotierung. Zum Beispiel ist ein NPN-Transistor wie folgt aufgebaut: je eine n-dotierte und eine p-dotierte Schicht und dann wieder eine n-dotierte Schicht. Bei den beiden Bauarten (NPN und PNP) gibt es drei Anschlüsse, die Basis (= B), den Kollektor (= C) und den Emitter (= E).

Gut zu wissen: Die Dotierung ist das absichtliche Einbringen von Fremdatomen in die Kristall-Struktur eines Halbleiters. Das dient der Modulierung der elektrischen Leitfähigkeit. Abhängig von der Anzahl der Außenelektronen wird der Halbleiter dann als p- oder n-dotiert bezeichnet.

Durch die Anwendung eines Bipolartransistors als Verstärker kann der Basisstrom um ein Vielfaches erhöht werden. Das bedeutet konkret: Der Kollektorstrom I_C (= Output-Strom) ist 20-mal bis 10.000-mal größer als der Input-Strom I_B.

NPN-Transistor

NPN-Transistoren eignen sich für zwei Anwendungsbereiche. Sie kommen entweder als On-/Off-Schalter oder als Verstärker in Schaltkreisen zum Einsatz. NPN-Transistoren als Verstärker: Man leitet eine kleine Menge Strom durch den Transistor und erhält eine größere Menge. NPN-Transistoren sind Halbleiter, und diese sind dotierbar.

Alle NPN-Transistoren verfügen über die drei Anschlüsse Basis, Kollektor und Emitter. Von der Basis aus fließt der Strom zum Emitter (= Input). Vom Kollektor zum Emitter fließt der größere Kollektorstrom (= Output). Die p-dotierte Basis ist nur leicht dotiert, während die Emitter-Schicht aufgrund der hohen Elektronenzahl stark n-dotiert ist.

Durch diesen Vorgang lässt sich ein kleiner Strom-Input stärken, damit also ein größerer Output-Strom erzielt wird.

PNP-Transistor

Der PNP-Transistor besteht wie der NPN-Transistor aus drei Schichten: einer p-dotierten Kollektor-Schicht, einer leicht n-dotierten Basis-Schicht und einer stark p-dotierten Emitter-Schicht. Zwischen Kollektor und Emitter liegt die Spannung U_CE und zwischen Basis und Emitter die Spannung U_BE.

Vom Emitter zur Basis fließt der kleine Strom I_B (= Input) und vom Emitter zum Kollektor der größere Strom I_C (= Output). Die freien Löcher (Defektelektronen) bewegen sich von der Emitter- zur Kollektorschicht. Strom kann fließen, und dafür braucht es die geringe Spannung U_BE.

Der PNP-Transistor kann auch als Schalter verwendet werden. Das bedeutet: Der Stromfluss kann vollständig aktiviert oder deaktiviert werden.

Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren sind spannungsgesteuerte Transistoren, in denen nur ein Ladungstyp (Elektronen oder Löcher) beteiligt ist. Die am häufigsten vorkommende Art dieser Transistoren sind MOSFET.

MOSFET

MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, wobei S „Semiconductor“ bedeutet, also Halbleiter im Englischen. Der MOSFET besteht aus einem Grundsubstrat, und je nachdem, wie dieses dotiert ist, unterscheidet man N-MOS oder P-MOS.

Beispiel N-MOS: Das Grundsubstrat ist dabei p-dotiert, und zwei n-dotierte Zonen werden eingefügt. Dieser Teil des Elektrobauteils wird in Summe vom Buchstaben S (= Halbleiter) in dem Wort MOSFET umschrieben. Auf der Mitte des Halbleiterblocks sind zwei verschiedene Schichten aufgebracht. Die obere Schicht besteht aus Metall (= M), darunter befindet sich eine Oxid-Schicht (= O).

Wie bei Bipolartransistoren gibt es drei Anschlüsse zur Integration des Transistors in den Schaltkreis: den Source-Anschluss (= S), den Gate- (= G) und den Drain-Anschluss (= D).

Leistungsfähige Transistoren für die Industrie

Der Bau von Transistoren basiert in den meisten Fällen auf dem Element Silizium. Die elektronischen Bauteile dienen in Schaltungen als kontaktlose Schalter, Regler, Impedanzwandler (= Widerstandswandler) sowie Verstärker. Diese Funktionen sind möglich, da ein Transistor mit kleinen Steuerströmen große Lastströme beeinflussen kann.

Zudem braucht es keinerlei mechanische Komponente für die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung, wodurch das Elektrobauteil keinem oder nur einem geringen mechanischen Verschleiß unterliegt. Dies sind ideale Voraussetzungen für die Integration in industriellen Anlagen, da sich Wartung und Reparatur in diesem Bereich reduzieren. Die Transistor-Technik wird auch in integrierten Schaltkreisen ICs (= Integrated Circuits) verwendet. Neuartige Prozessoren und Mikrocontroller besitzen mehrere Milliarden Transistorelemente.

Dabei schalten die Halbleiter elektrische Ströme innerhalb des Prozessors ein oder aus, um so die Ausführung von Rechenoperationen zu ermöglichen. Auch in anderen Einsatzgebieten etwa wie in der Leistungselektronik, in Netzwerken, in der Kommunikationstechnik, Automobil oder Medizintechnik sowie in der Luftfahrttechnik kommen Transistoren zur Anwendung.

Transistoren für industrielle Anwendungen

• Schaltdiode Si: 100 Volt, 0,3 Ampere, 8 Nano-Sekunden MiniMELF (Produktreihe LL 4148-GS08)
• LED THT (through-hole technology): 569 Nanometer, 20 Milli-Ampere, 2,2 Volt (Produktreihe L-53SGC)
• NF-Schottky-Diode: 70 Volt, 70 Milli-Ampere (Produktreihe BAS70)
• Kleinsignal-Schottky-Diode: 30 Volt, 200 Milli-Ampere (Produktreihe BAS85, 115)

Transistoren bei Bürklin Elektronik

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