Ausarbeitung des Transistorreferats

Ausarbeitung des
Transistorreferats
Von Omar Al-karagoly
04.07.05 Berlin
Inhaltsverzeichnis
 Was ist ein Transistor?
 Die Transistorarten
Bipolar Transistor
Typen und Schaltzeichen
Aufbau
Funktionsweise
Arbeitsbereiche
Stromverstärkungsfaktor
Unipolar Transistor
Funktionsweise
Typen und Schaltzeichen
FET- Grundschaltungen
 Die Unterschiede zwischen den beiden Typen
Was ist ein Transistor?
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und verstärken
von Elektrischenströme verwendet wird. Die Bezeichnung ist eine Kurzform für die englische
Bezeichnung transfer resistor, die den Transistor als einen durch Strom steuerbaren
Wiederstand beschreiben sollte.
Die Transistorarten
Bipolal Transistor
Typen und Schaltzeichen
Es gibt npn-Typen und pnp-Typen, die Buchstaben geben die Reihenfolge der Schichtung an.
Somit bildet ein Bipolartransistor immer zwei gegeneinander geschaltete Diode.

npn-Transistor:

pnp-Transistor:
Beim pnp-Transistor ist die Reihenfolge der Schichten p-n-p, d. h. die beiden Dioden
zwischen Basis und Emitter sowie zwischen Basis und Kollektor haben jeweils die
entgegengesetzte Polung gegenüber dem npn-Typ.
Im Schaltzeichen drückt man den Unterschied aus, indem man den Richtungspfeil der BasisEmitter-Diode umdreht.
Um sich die Pfeilrichtung des Schaltzeichens besser merken zu können gibt es einen
einprägsamen Spruch: "Tut der Pfeil der Basis weh, handelt sich's um pnp."
Aufbau
Der Bipolartransistor wurde auf der Grundlage der Diode entwickelt. Eine Diode besteht aus
zwei dotierten Halbleiterschichten (PN- beziehungsweise NP-dotiert) und „schaltet“ Strom
nur in einer Richtung durch. Ein Transistor ist nun eine Kombination aus drei abwechselnden
p- und n-dotierten Halbleiterschichten (NPN- beziehungsweise PNP). Sie werden als
Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet. Die Basis ist besonders dünn und liegt
zwischen Kollektor und Emitter.
Eine konsequente Erweiterung dieses Prinzips sind Halbleiterbauelemente aus mehreren
Schichten (z. B. PNPN); diese werden auch als Thyristoren bezeichnet.
Funktionsweise
Beim Bipolartransistor steuert ein Strom IB im Basis-Emitter-Kreis einen (stärkeren) Strom IC
im Kollektor-Emitter-Kreis.
Die drei Kristallschichten bilden zwei P-N Übergänge aus, d. h. es handelt sich um zwei
Dioden mit einer gemeinsamen Elektrode. Als Beispiel ist ein npn-Transistor gewählt.
Nachfolgend sind oben schematisch die Verhältnisse im Kristall dargestellt, darunter im
Bändermodell. Hierbei stellen die kleinen +/- Symbole bewegliche Ladungsträger dar,
während die großen die ionisierten Dotieratome symbolisieren.
Solange man nur Kollektor und Emitter anschließt (+ am Kollektor, - am Emitter), hat man es
mit zwei Dioden zu tun, von denen eine gesperrt ist, es fließt also kein Strom. Die angelegte
Spannung verkleinert zwar die B-E-Sperrschicht, vergrößert aber die C-B-Sperrschicht.
Durch Schließen des B-E-Stromkreises (+ an der Basis, - am Emitter) wird die B-E-Diode
leitend. Es gelangen Elektronen aus dem Emitter (lat. emittere = aussenden) in die Basis.
Wegen der geringen Weite der Basis können die meisten Elektronen auf die Seite der C-BSperrschicht diffundiert, von der aus diese keinen Potenzialwall, sondern ein Gefälle darstellt.
Das elektrische Feld in der Sperrschicht beschleunigt die Elektronen in Richtung Kollektor
(lat. colligere = sammeln). Somit fließt nun auch Strom im C-E-Stromkreis.
Da der zwischen Basis und Emitter fließende Strom nur die B-E-Sperrschicht leitend machen
muss, genügt hier ein kleiner Strom. Die einmal in die Basis gelangten Elektronen fließen
zum größten Teil (ca. 99%) weiter zum Kollektor. Es wird also ein ca. 100mal größerer Strom
durch den kleinen gesteuert. Das Verhältnis der Ströme ist vom Typ abhängig, man
bezeichnet es als den Stromverstärkungsfaktor β. Es liegt in der Größenordnung von 10 bis
10000, je nach Konstruktion des Transistors.
Die Wirkungsweise eines pnp-Transistors ist entsprechend, jedoch sind die Polungen beider
Stromkreise umzukehren, um der entgegengesetzten Polung der beiden Sperrschichten
Rechnung zu tragen.
Arbeitsbereiche
Diodenersatzschaltung
Der Bipolartransistor besteht aus zwei PN-Übergängen, so dass man ihn auch als
Hintereinanderschaltung von zwei Dioden betrachten kann. Indem man entsprechende
Spannungen anlegt, kann man beide Übergänge unabhängig voneinander sperren oder
durchschalten. Dadurch ergeben sich vier mögliche Arbeitsbereiche, in denen der Transistor
ein je eigenes Verhalten zeigt.

Sperrbereich: Beide Übergänge sperren. Hier leitet der Transistor keinen Strom. Er
entspricht einem geöffneten Schalter.

Verstärkungsbereich: Der Basis-Kollektor-Übergang sperrt, der Basis-EmitterÜbergang schaltet durch. Hier gilt näherungsweise
, wobei B der
Stromverstärkungsfaktor ist. Da B relativ groß ist, führen hier kleine Änderungen des
Bassisstrom IB zu großen Änderungen des Kollektorstroms IC. Transistoren werden in
diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken.

Sättigungsbereich: Beide Übergänge schalten durch. Hier leitet der Transistor den
Strom, allerdings ist der Kollektorstrom IC unabhängig vom Basisstrom IB. Der
Transistor entspricht einem geschlossenen Schalter.

inverser Verstärkungsbereich: Der Basis-Kollektor-Übergang schaltet durch, der
Basis-Emitter-Übergang sperrt. Dieser Bereich funktioniert ähnlich wie der normale
Verstärkungsbereich, aber meist mit einem deutlich kleineren
Stromverstärkungsfaktor.
Während in der Signaltechnik Transistoren oft im Verstärkungsbereich betrieben werden,
werden Transistoren in der Digitaltechnik fast ausschließlich im Sperr- und Sättigungsbereich
betrieben, um so die logischen Signale "0" beziehungsweise "1" darstellen zu können. Dafür
werden aber üblicherweise MOSFETs in CMOS-Technologie eingesetzt, die wesentlich
verlustärmer und damit auch kühler betrieben werden können. Allerdings haben bis heute
Bauteile in Bipolar-Technologie gegenüber MOSFETs Geschwindigkeitsvorteile, weshalb sie
in der analogen Signalverarbeitung den MOSFETs vorzuziehen sind.
Stromverstärkungsfaktor
Man unterscheidet beim Bipolartransistor den Gleichstromverstärkungsfaktor B (auch hFE)
und die differentielle Stromverstärkung β (auch hfe). Beide können sehr unterschiedlich sein
(je nach Aufbau und Dotierung des Transistors).
Die Formel für Gleichstromverstärkungsfaktor lautet:
,
Die Formel für die differentielle Stromverstärkung lautet:
mit UCE = konst.
wobei IC der Kollektorstrom, IB derBassisstrom, IE der Emitterstrom und UCE die KollektorEmitter Spannung des Transistors ist. Typische Werte für B liegen bei 100 − 103
Man bezeichnet B auch als Großsignalverstärkung und β als Kleinsignalverstärkung.
Unipolar Transistor
Funktionsweise
Aufbau N-Kanal-FET
Der FET hat 3 Anschlüsse, Source (Zufluss, Quelle), Gate und Drain (Abfluss). Ein vierter
Anschluss Bulk (Substrat) ist bei Einzeltransistoren mit Source verbunden und nicht extra
herausgeführt.
Aufbau N-Kanal-FET mit negativerer Gate-Source Spannung
Durch ein elektrisches Feld, hervorgerufen durch eine Steuerspannung zwischen Gate und
Source, wird die Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals des Feldeffekt-Transistors
beeinflusst. Je nach benutztem Effekt wird unterschieden zwischen MOSFET und JFET
(Junction- oder Sperrschicht-FET). JFETs nutzen einen in Sperrrichtung betriebenen P-N
Übergänge, um das elektrische Feld zu bilden. Theoretisch kann dieser auch in Flussrichtung
betrieben werden, was allerdings den Vorteil der leistungslosen Ansteuerung zunichte macht.
Der entscheidende schaltungstechnische Unterschied zum bipolaren Transistor besteht in der
bei niedrigen Frequenzen praktisch leistungslosen Ansteuerung des FET, es wird lediglich
eine Steuerspannung benötigt.
Aufbau N-Kanal-FET mit abgschnürten N-Kanal
Ein weiterer Unterschied ist der Ladungstransport in dem unipolaren Source-Drain-Kanal.
Diese Tatsache ermöglicht prinzipiell einen inversen Betrieb des FET, d.h. Drain und Source
können vertauscht werden. Allerdings trifft dies nur auf sehr wenige FETs zu, weil die
meisten Typen sowohl unsymmetrisch aufgebaut als auch die Anschlüsse Bulk und Source
intern verbunden haben.
Zudem kann der unipolare Kanal als bidirektionaler Widerstand benutzt werden und somit
nicht nur Gleich-, sondern auch Wechselströme beeinflussen, was z.B. bei
Dämpfungsschaltungen (Abschwächer, Muting) genutzt wird.
Es gibt folgende Feldeffekt-Transistoren:
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

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Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET)
Schottky-Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
High Electron Mobility Transistor (HEMT)
Ionen-Sensitiver Feldeffekt-Transistor (ISFET)
Organischer Feldeffekttransistor (OFET)
Typen und Schaltsymbole
Neben den abgebildeten Symbolen sind auch noch weitere üblich. Insbesondere im
amerikanischen Sprachraum werden die MOSFET-Typen durch einen Pfeil auf dem SourceAnschluss gekennzeichnet.
Hierbei deutet der Pfeil die technische Stromrichtung im typischen Betriebszustand an, d.h.
bei einem PMOS-Transistor zeigt der Pfeil zum Gate hin, bei einem NMOS-Transistor vom
Gate weg.
FET-Grundschaltungen
Für Feldeffekttransistoren gibt es einige Grundschaltungen:
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Source-Schaltung
Drain-Schaltung
Gate-Schaltung
Kaskodenschaltung
Die Unterschiede zwischen die beiden Arten
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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.
Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Deren Anschlüsse werden
mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-EmitterStrecke kann dabei einen großen Strom auf der Emitter-Kollektor-Strecke steuern. Der
entscheidende schaltungstechnische Unterschied zwischen Fetts und bipolaren
Transistoren besteht in der bei niedrigen Frequenzen praktisch leistungslosen
Ansteuerung des FET, es wird lediglich eine Steuerspannung benötigt.
Ein weiterer Unterschied ist der Ladungstransport in dem unipolaren Source-DrainKanal. Diese Tatsache ermöglicht prinzipiell einen inversen Betrieb des FET, d.h.
Drain und Source können vertauscht werden. Allerdings trifft dies nur auf sehr wenige
FETs zu, weil die meisten Typen sowohl unsymmetrisch aufgebaut als auch die
Anschlüsse Bulk und Source intern verbunden sind.