Grundlagen und Typen von Transistoren

Florian Störmer
|  Created: September 24, 2020  |  Updated: September 24, 2020
Grundlagen und Typen von Transistoren

Einführung

Die Entdeckung des ersten Transistors 1948 durch ein Team von Physikern in den „Bell Telephone Laboratories“ löste ein Interesse an der Festkörperforschung aus, das sich rasch ausbreitete. Der Transistor, der als eine einfache Laborkuriosität begann, entwickelte sich rasant zu einem Halbleiterbauelement von großer Bedeutung. Der Transistor demonstrierte zum ersten Mal in der Geschichte, dass eine Verstärkung elektrischer Signale in Festkörpern möglich war. Vor ihm wurde diese Verstärkung nur mit Elektronenröhren erreicht. Heute erfüllen Transistoren zahlreiche elektronische Aufgaben, wobei ständig neue und verbesserte Transistordesigns auf den Markt gebracht werden. Heutzutage sind sie wünschenswerter als Röhren, weil sie klein und robust sind, keine Glühfadenleistung benötigen und bei niedrigen Spannungen mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad arbeiten. Die Entwicklung von Transistoren hat maßgeblich die Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen ermöglicht. Und nicht nur das, gerade die Performance konnte auch gerade in jüngster Zeit durch die Verwendung neuer Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder auch Galliumnitrid (GaN) immens gesteigert werden.

microchips, transistor and radio tube isolated on white background

Der Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das sowohl leiten als auch isolieren kann. Außerdem kann er kann als Schalter und Verstärker fungieren. Er wandelt Schallwellen in elektronische Wellen und Widerstände um und steuert den elektrischen Strom. (Silizium-) Transistoren haben eine sehr lange Lebensdauer, sind deutlich kleiner, können zur Erhöhung der Sicherheit mit niedrigeren Versorgungsspannungen betrieben werden und benötigen keinen Glühfadenstrom. Der erste Transistor wurde aus Germanium hergestellt. Ein Transistor erfüllt die gleiche Funktion wie eine Vakuumröhren-Triode, verwendet jedoch Halbleiterübergänge anstelle von beheizten Elektroden in einer Vakuumkammer. Er ist der grundlegende Baustein moderner elektronischer Geräte und überall in modernen elektronischen Systemen zu finden.

Transistor-Grundlagen

Es gibt viele Arten von Transistoren, die grundsätzliche Funktionstheorie ist allerdings immer die Gleiche. Ein Transistor ist ein Gerät mit drei Anschlüssen. Nämlich

- Basis: Diese ist für die Aktivierung und die Steuerung des Transistors verantwortlich

- Kollektor: stellt die positive Leitung dar

- Emitter: stellt die negative Leitung dar

Elektronischer Transistor (2n222) einzeln auf weißem Hintergrund, Makroaufnahme

Ein winziger elektrischer Strom, der durch einen Teil eines Transistors fließt (Basisanschluss), kann einen viel größeren Strom durch einen anderen Teil des Transistors fließen lassen (Kollektor/Emitter). Mit anderen Worten, der kleine Strom schaltet den größeren Teil an und aus. So funktionieren im Wesentlichen alle Computerchips. Zum Beispiel enthält ein Speicherchip Hunderte von Millionen oder sogar Milliarden von Transistoren, von denen jeder einzeln ein- oder ausgeschaltet werden kann. Da sich jeder Transistor in zwei verschiedenen Zuständen befinden kann, kann er zwei verschiedene Zahlen, null und eins, speichern.

Arten von Transistoren
 

Leistungstransistoren einzeln auf weißem Hintergrund

Es gibt zwei grundlegende Arten von Transistoren; die Bipolartransistoren (BJT) und die Feldeffekttransistoren (FET). Wie bereits erwähnt fließt ein kleiner Strom zwischen der Basis und dem Emitter; der Basisanschluss kann dadurch einen größeren Stromfluss zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss steuern.
Bei einem Feldeffekttransistor gibt es ebenfalls diese drei Anschlüsse, allerdings sind sie mit Gate, Source und Drain bezeichnet. Hier kann eine Spannung am Gate einen Stromfluss zwischen Source und Drain steuern.
Es gibt Transistoren in einer Vielzahl verschiedener Größen und Formen. Eines haben alle diese Transistoren gemeinsam: Sie haben jeweils drei Anschlüsse.

Bipolarer Sperrschicht-Transistor:

Ein Bipolar Junction Transistor (BJT) hat drei Anschlüsse, die mit drei dotierten Halbleiterbereichen verbunden sind. Es gibt zwei Typen, P-N-P und N-P-N Transistoren.

Funktionsprinzip von n-p-n- und p-n-p-Bipolen-Transistoren

Ein P-N-P-Transistor besteht aus einer Schicht aus N-dotiertem Halbleiter zwischen zwei Schichten aus P-dotiertem Material. Der in den Kollektor eintretende Basisstrom wird an dessen Ausgang verstärkt.

Das heißt, dass der PNP-Transistor eingeschaltet ist, wenn seine Basis relativ zum Emitter nach unten gezogen wird. Die Pfeile des PNP-Transistors symbolisieren die Richtung des Stromflusses, wenn sich das Bauelement im aktiven Leitungsmodus befindet.

Ein N-P-N-Transistor besteht aus einer Schicht aus P-dotiertem Halbleiter zwischen zwei Schichten aus N-dotiertem Material. Durch Stromverstärkung der Basis erhalten wir den hohen Kollektor- und Emitterstrom.

Das heißt, dass der NPN-Transistor eingeschaltet ist, wenn seine Basis relativ zum Emitter nach unten gezogen wird. Wenn sich der Transistor im EIN-Zustand befindet, ist der Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter des Transistors. Basierend auf Minoritätsträgern in der P-Typ-Region bewegen sich die Elektronen vom Emitter zum Kollektor. Dies ermöglicht den größeren Strom und einen schnelleren Betrieb; aus diesem Grund sind die meisten heute verwendeten bipolaren Transistoren NPN-Transistoren.

Feldeffekt-Transistor (FET):

Der Feldeffekttransistor ist ein unipolarer Transistor. Zur Leitung werden hier N-Kanal-FET oder P-Kanal-FET verwendet. Die drei Anschlüsse des FET sind Source, Gate und Drain. Bei einem n-Kanal-FET besteht das Bauelement aus n-dotiertem-Material. Zwischen Source und Drain wirkt das Material des n-Typs als Widerstand.

Dieser Transistor steuert die positiven und negativen Ladungsträger in Bezug auf Löcher oder Elektronen. Der FET-Kanal wird durch die Bewegung von positiven und negativen Ladungsträgern gebildet. Der FET-Kanal ist meist aus Silizium hergestellt, doch auch andere Materialien sind möglich und werden derzeit erforscht, um höhere Sperrspannungen bei geringerer Bauteildicke erreichen zu können.

Es gibt viele Arten von FETs, MOSFETs, JFETs usw. Die Anwendungen von FET's liegen in einem rauscharmen Verstärker, Pufferverstärker und analogen Schaltern.

Es gibt diverse weitere Transistor-Modelle, ebenso wie die dafür verwendeten Materialien. Diese können grundlegende physikalische Eigenschaften verändern und Transistoren damit schneller, robuster aber auch teurer machen. Hier sollte nur an der Oberfläche gekratzt werden und damit die grundlegende Funktionsweise nahegebracht werden. 

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Florian Störmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Rostock beim Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektrische Antriebe, wo er hauptsächlich das Schaltverhalten von Leistungshalbleitern mit unterschiedlichen Ansteuerverfahren untersucht.Zur Realisierung dieser entwickelt und designt er eigene Treiberplatinen, die den verschiedensten speziellen Ansprüchen gerecht werden müssen. Im Zuge seiner Untersuchungen hat er unter anderem mit Infineon und Siemens zusammengearbeitet.Dabei entstanden mehrere wissenschaftliche Arbeiten, die auf der führenden internationalen Fachmesse für Leistungselektronik, der PCIM Europe, veröffentlicht wurden.Florian Störmer is a research assistant at the Chair of Power Electronics and Electrical Drives at the University of Rostock, where he mainly investigates the switching behaviour of power semiconductors with different control methods.He develops and designs his own driver boards, which have to meet various special requirements. In the course of his investigations he has collaborated with Infineon and Siemens, among others.This resulted in several scientific papers that were published at the leading international conference for power electronics, PCIM Europe.

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