Transistor – Definition, Typen, Schaltzeichen und Geschichte

Fast die gesamte moderne Elektronik basiert auf einem grundlegenden Bauelement, dem Transistor. Auch der Baustein moderner eingebetteter Systeme ist ein Transistor, der als grundlegende Komponente die Datenverarbeitung steuert. Ein Transistor ist ein wesentlicher Bestandteil von integrierten Schaltkreisen (ICs), Mikroprozessoren und Mikrocontrollern sowie von fast jedem elektronischen Gerät.  

Der Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das zur Steuerung des Stromflusses dient. Wird Spannung oder Strom an die Eingangsanschlüsse eines Transistors angelegt, steuert oder verstärkt dieser das Eingangssignal und erzeugt ein Ausgangssignal. Er besteht aus Halbleitermaterialien wie Germanium oder Silizium. Das Verständnis von Transistoren, ihren Typen, Transistorsymbolen und ihrer Funktionsweise ist für Elektroingenieure unerlässlich, um moderne elektronische Systeme zu entwickeln.

Was ist Transistor?

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauelement, das den Stromfluss steuert. Er hat drei Anschlüsse: Basis, Emitter und Kollektor. Ein typischer Transistor hat zwei Betriebsarten: Er kann entweder als Schalter oder als Verstärker fungieren. Im Schaltmodus lässt der Transistor den Stromfluss zu. Im Verstärkermodus hingegen verstärkt der Transistor das schwache Eingangssignal, um ein stärkeres Ausgangssignal zu erzeugen.

Ein Transistor besteht aus drei Schichten Halbleitermaterial wie Silizium und Germanium. Diese Schichten sind entweder PNP- oder NPN-Transistoren. Die Materialschichten bestimmen den Transistortyp, ob PNP- oder NPN-Transistor. Ein typischer Transistor hat drei Anschlüsse: Basis, Emitter und Kollektor. Ein solcher Transistortyp wird als Bipolar Junction Transistor (BJT) bezeichnet. Das typische Symbol und die Abbildung eines BJT-Transistors sind unten dargestellt.

Transistorschichten	Transistorsymbol	Transistorgehäuse

Abb. 1: Transistor-Abbildung und -Symbol

Transistortypen und Transistorsymbole

Transistoren werden in drei Typen eingeteilt: Bipolartransistoren (BJT), Feldeffekttransistoren (FET) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Diese Transistoren werden dann weiter in Untertypen unterteilt. Die Details der einzelnen Transistortypen werden später im Artikel erläutert.

Bipolarer Sperrschichttransistor (BJT)

Der BJT-Transistor hat drei Anschlüsse: Basis, Emitter und Kollektor. Der Stromfluss im BJT-Transistor wird durch freie Elektronen oder Löcher verursacht. Der geringe Stromfluss zwischen Basis- und Emitteranschluss des BJT-Transistors kann den starken Stromfluss zwischen Emitter- und Kollektoranschluss steuern. BJT-Transistoren werden in NPN- und PNP-Transistoren unterteilt.

Abbildung 2: Symbole für BJT-Transistoren

Beim PNP-Transistor ist N-Typ-Halbleitermaterial zwischen zwei P-Typ-Halbleitermaterialien eingebettet. Diese Anordnung führt zu zwei Transistorübergängen, den sogenannten Basis-Emitter-Übergängen (Je) und Basis-Kollektor-Übergängen (Jc). In einer typischen Transistoranwendung ist der Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt. Im PNP-Transistor ist der Stromfluss auf die Löcher als Mehrheitsladungsträger zurückzuführen.

Beim NPN-Transistor hingegen ist das Halbleitermaterial vom P-Typ zwischen zwei Halbleitermaterialien vom N-Typ eingebettet. Beim NPN-Transistor ist der Stromfluss auf die Elektronen als Mehrheitsladungsträger zurückzuführen.  

Wenn ein Eingangssignal zwischen zwei Anschlüssen des Transistors angelegt wird, verstärkt es das Eingangssignal an den Ausgängen. Ein Anschluss des Transistors fungiert als Eingang, der andere als Ausgang. Der andere Anschluss des Transistors dient als Masse. TAus diesem Grund wurden drei Transistorkonfigurationen entwickelt.

1. Gemeinsame Emitterkonfiguration: In Emitterschaltung von a Transistor, Eingang wird angelegt bei  Basisanschluss des Transistors, der Ausgang wird am Kollektor abgenommen und der Emitter ist mit Masse verbunden.

2. Gemeinsame Basiskonfiguration:  Bei der gemeinsamen Basiskonfiguration des Transistors wird der Eingang am Emitteranschluss des Transistors angelegt, der Ausgang am Kollektor abgenommen und die Basis mit Masse verbunden.

3. Gemeinsame Collector-Konfiguration: Bei der Kollektorschaltung eines Transistors wird der Eingang an der Basisklemme des Transistors angelegt, der Ausgang am Emitter abgenommen und der Kollektor mit Masse verbunden.

Feldeffekttransistoren (FETs)

FET-Transistoren nutzen ein elektrisches Feld zur Steuerung des Stromflusses. Dieser Transistortyp verfügt über drei Anschlüsse: Gate, Drain und Source. FET-Transistoren sind unipolar, im Gegensatz zu Bipolartransistoren (BJT). FET-Transistoren werden aufgrund ihrer hohen Impedanz (bis zu Megaohm), ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer geringen Wärmeableitung und ihres hohen Schaltfrequenzbereichs bis in den Megahertz-Bereich in vielen Anwendungen eingesetzt. FET-Transistoren werden in zwei Typen eingeteilt: MOSFET- und JFET-Transistoren.

MOSFET

MOSFET steht für Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Diese Transistoren werden häufig in der Leistungselektronik eingesetzt. Es handelt sich um spannungsgesteuerte Bauelemente. MOSFET-Transistoren bestehen aus drei Schichten: Metall, Oxid und Halbleiter. Die Oxidschicht (SiO₂) im Transistor weist auf eine dünne Isolierschicht zwischen Metall- und Halbleiterschicht hin. Daher nutzt ein MOSFET ein elektrisches Feld, um den Stromfluss zwischen Metall- und Halbleiterschicht zu steuern. Im Gegensatz zu BJT können MOSFET-Transistoren im Betrieb nur Elektronen (N-Typ) oder Löcher (P-Typ) als Ladungsträger nutzen.

Abbildung 3: N-Kanal- und P-Kanal-MOSFET-Symbole

Diese Transistoren bieten eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz, da der Strom durch ein elektrisches Feld gesteuert wird. Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz eignen sich diese Transistoren für Leistungselektronikschaltungen, integrierte Schaltkreise (ICs), Operationsverstärker (Op-Amps), Oszillatoren, Filter und Geräte mit hoher Schaltfrequenz.

Abbildung 4: Typisches MOSFET-Durchsteckgehäuse

Wie BJT haben auch MOSFET-Transistoren drei Betriebskonfigurationen.

1.     Gemeinsame Gate-Konfiguration (Gate ist Masse, Eingang an Source, Ausgang an Drain)

2.     Gemeinsame Drain-Konfiguration (Drain ist Masse, Eingang am Gate, Ausgang an Source)

3.     Gemeinsame Quellenkonfiguration (Source ist Masse, Eingang am Gate, Ausgang am Drain)

MOSFET-Transistoren werden weiter in Anreicherungstyp-MOSFETs, Verarmungstyp-MOSFETs, PMOS- und NMOS-Transistoren unterteilt.

·       MOSFET vom Verarmungstyp: Verarmungs-MOSFET-Transistor, auch als D-MOSFET-Transistor bekannt. Fließt Strom zwischen Source- und Drain-Anschluss eines Transistors, spricht man von einem Kanal. Bei D-MOSFETs wird dieser Kanal bereits während der Herstellung aufgebaut. D-MOS-Transistoren arbeiten normalerweise ohne angelegte Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand. Daher wird ein Transistor in diesem Zustand als eingeschaltetes Bauelement bezeichnet. Legt man jedoch eine Gate-Spannung am Eingang des Transistors an, wird sein Kanal resistiv. Mit steigender Spannung nimmt der Kanalstrom kontinuierlich ab, bis der Transistorstrom vom Drain zur Source stoppt.

·       MOSFET vom Anreicherungstyp: Anreicherungs-MOSFET, auch bekannt als E-MOS-Transistor. Im Gegensatz zum D-MOS-Transistor ist der Kanal noch nicht angelegt. Im Normalfall fließt kein Strom zwischen Drain- und Source-Anschluss des Transistors. Wird jedoch die Gate-Spannung an den Transistor angelegt, steigt der Strom weiter an und verringert den Widerstand des Transistorkanals.

·  

        PMOS- und NMOS-Transistoren: Genau wie MOSFET haben auch PMOS- und NMOS-Transistoren drei Anschlüsse: Gate, Drain und Source. Der Hauptunterschied zwischen PMOS- und NMOS-Transistoren besteht darin, dass bei NMOS-Transistoren die Source- und Drain-Schichten mit N-Typ-Material dotiert sind. Beim PMOS-Transistor hingegen sind die Source- und Drain-Schichten mit P-Typ-Material dotiert.

MOS-Typ	Symbol
NMOS
PMOS

JFET

JFET ist ein spannungsgesteuertes Bauelement und steht für Junction Field Effect Transistor (FET). JFET ist einer der ersten und einfachsten Transistoren in der FET-Baureihe. Der Stromfluss im JFET-Transistor erfolgt ausschließlich durch die Mehrheitsladungsträger, im Gegensatz zu Bipolartransistoren, bei denen der Stromfluss sowohl durch Mehrheits- als auch durch Minderheitsladungsträger erfolgt. JFET-Transistoren werden in N-JFET und P-JFET unterteilt. Sie verfügen über drei Anschlüsse: Gate, Source und Drain.

Im Normalbetrieb eines Transistors, wenn die Gate-Spannung Null ist, wandern Elektronen problemlos von der Source zum Drain des Transistors. Wird jedoch die Gate-Spannung an den Source- und Gate-Anschluss des Transistors angelegt, wird der PN-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt und die Breite der Verarmungsschicht vergrößert. Dies führt dazu, dass der JFET den Bereich abschnürt (komplett ausgeschaltet).

Was macht ein Transistor?

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauelement, das den Stromfluss steuert. Er erfüllt zwei Hauptfunktionen: Er dient entweder als Schalter oder als Verstärker. Er verfügt über drei Betriebsarten: Sperr-, Sättigungs- und Aktivbereich. Je nach Betriebsart fungiert er als Schalter oder Verstärker. Wird ein Transistor im Sperr- und Sättigungsbereich betrieben, fungiert er als Schalter. Wird er jedoch im Aktivbereich betrieben, fungiert er als Verstärker.

·       Transistor als Schalter: Durch die Kombination von Sättigung und Sperrbereich wird ein Transistor als Schaltgerät betrieben. Im Sperrbereich fließt kein Strom, und der Transistor befindet sich in Sperrrichtung. Daher bleibt er im ausgeschalteten Zustand. Im Sättigungsbereich fließt Strom, und der Transistor befindet sich in Vorwärtsrichtung. Daher wechselt er in den eingeschalteten Zustand. Transistoren finden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten als Schaltgeräte, z. B. zum Blinken von LEDs, Gleichstrommotoren, Logikgattern, Hochfrequenzantrieben, präziser Leistungsregelung und Relais.

·       Transistor als Verstärker: Wird ein Transistor gezielt in einem aktiven Bereich eingesetzt, fungiert er als Verstärker. Der wichtigste Faktor für die Verstärkung ist die Verstärkung (Beta) des Transistors. Sie wird üblicherweise im Datenblatt eines Transistors angegeben. Je höher die Verstärkung, desto höher die Verstärkung des Transistors. Ein weiterer Faktor, der die Leistung des Verstärkers beeinflusst, ist das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung, Eingangs- und Ausgangswiderstand, Stromverstärkung und Leistungsverstärkung. Transistoren als Verstärker werden häufig in Funksignalen, drahtloser Kommunikation, Operationsverstärkern, Audiogeräten, Instrumentenverstärkern, medizinischen Geräten und der Glasfaserkommunikation eingesetzt.

Wie funktionieren Transistoren?

Transistoren haben die moderne Welt revolutioniert. Heutzutage werden Transistoren überall eingesetzt, von Smartphones über Raketentriebwerke bis hin zu modernen Prozessoren, Speichergeräten und Internetservern.

Ein typischer Transistor fungiert als Schalter oder Verstärker. Er besteht aus drei Schichten Halbleitermaterial, nämlich N-Typ und P-Typ. Wie funktioniert also ein Transistor?

Ein typischer Transistor hat drei Anschlüsse: Basis, Emitter und Kollektor. Der Transistor dient der Steuerung des Stromflusses. Er nutzt das Ladungsträgerprinzip. Die meisten Ladungsträger sind Elektronen oder Löcher. Die drei Schichten sind so angeordnet, dass sich zwei N-Typen und ein P-Typ dazwischen befinden. Dies ergibt einen NPN-Transistor, umgekehrt gilt dies für einen PNP-Transistor.

Die grundlegende Funktionsweise von Transistoren basiert auf der Basis-Emitter- und der Basis-Kollektor-Verbindung. Diese Verbindungen bilden sich, wenn ein Basissignal an den Basis-Emitter-Anschluss eines Transistors angelegt wird. Liegt am Eingang des Transistors ein geringer Strom an, fließt ein hoher Strom von der Basis-Kollektor-Verbindung. Dies wird als Transistorverstärkung bezeichnet. Ein Transistor im Verstärkungsmodus wird erreicht, indem die Basis-Emitter-Verbindung in Durchlassrichtung und die Basis-Kollektor-Verbindung in Sperrrichtung vorgespannt wird.

Wenn am Eingang (Basis-Emitter-Anschluss) des Transistors kein Basissignal anliegt, werden sowohl der Basis-Emitter- als auch der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt. Daher fließt kein Strom vom Emitter zum Kollektor und der Transistor ist ausgeschaltet. Ein Transistor in diesem Betriebsbereich wird als Sperrbereich bezeichnet.

Wenn am Eingang eines Transistors ein Basissignal angelegt wird, fließt Strom vom Emitter zum Kollektor. Sowohl die Basis-Emitter- als auch die Basis-Kollektor-Verbindung sind in diesem Betrieb in Durchlassrichtung vorgespannt, und der Kollektor befindet sich im eingeschalteten Zustand. Ein Transistor in diesem Betriebsbereich wird als Sättigungsbereich bezeichnet.

Transistorgeschichte

Der Ursprung von Transistoren liegt in thermionischen Vakuumröhren. Thermionische Vakuumröhren wurden 1907 erfunden und hauptsächlich in der Funktechnik und Radarsystemen eingesetzt. Sie waren der erste Transistortyp, verbrauchten jedoch viel Energie und waren sperrig. Diese Vakuumröhren nutzen ein Eingangssignal, um den Stromfluss am Ausgang mithilfe der Elektroden zu steuern. 

Wann und wer hat den Transistor erfunden?

Im Oktober 1925 veröffentlichte ein österreichischer Wissenschaftler in Kanada das erste Patent auf einen Feldeffekttransistor. Seine Arbeit wurde damals jedoch aufgrund fehlender veröffentlichter Forschungsartikel ignoriert. Während des Weltkriegs bemühten sich die Bell Labs jedoch, einen reinen Germaniumkristall für den Einsatz in Radar- und Frequenzmischsignalen herzustellen.

1947 erfanden John Bardeen und William Shockley in den Bell Labs in New Jersey, USA, den ersten funktionierenden Transistor. Später, 1958, führten die Bell Labs den MOSFET-Transistor ein. Die Erfindung des MOSFET revolutionierte die moderne Elektronik, da er der erste planare Transistor war, bei dem sich Drain und Source auf derselben Oberfläche befinden. Die Entdeckung des MOSFET hat die herkömmlichen Transistoren in nahezu allen elektronischen Geräten, einschließlich Prozessoren, Speicherbauelementen und Mikrocontrollern, weitgehend ersetzt.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Transistor eine der wichtigsten Erfindungen des 20.^th Jahrhundert, das die moderne Elektronik verändert hat. Moderne eingebettete Elektronik wie Prozessoren, Mikrocontroller und digitale Geräte bestehen aus Transistoren. Transistoren sind wichtige Komponenten moderner Elektronik wie Radargeräten, Glasfaserkommunikation, medizinischen Geräten und Instrumentenverstärkern. Daher ist das Verständnis der Funktionsweise von Transistoren, ihrer Funktionsprinzipien und Typen für Ingenieure entscheidend, um moderne Anwendungen zu entwickeln.