© Frank Nussbächer

Allgemeines
Transistoren sind neben den Halbleiterdioden die wichtigsten aktiven Bauelemente in der modernen
Elektronik und besitzten wesentlich günstigere Eigenschaften als beispielsweise Röhren. Die kleinen
Abmessungen von Transistoren machen den Einsatz auch bei extrem beengten Platzverhältnissen
möglich. Eine noch bessere Raumausnutzung als diskrete Transistoren besitzen integrierte
Schaltungen wie z.B. Operationsverstärker, bei denen viele Transistoren auf einem Chip enthalten
sind. Auf den nachfolgenden Seiten erfahren Sie in einfachen Worten, wie ein Transistor aufgebaut ist
und wie er funktioniert.
Transistoren kann man nach zwei grundsätzlichen Funktionsprinzipien einteilen: Bipolartransistoren
bzw. Sperrschichttransistoren sowie Unipolartransistoren bzw. Feldeffekttransistoren, von denen es
jeweils verschiedene Ausführungen gibt. In den nachfolgenden Seiten ist beschrieben, wie diese
Transistoren aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Zum Verständnis ist es erforderlich, daß Sie
wissen, was Strom und Spannung ist, und wie eine Halbleiterdiode funktioniert.
Verwendung in der Elektronik
Der Transistor ist das zentrale Element der modernen Elektronik. Transistoren kommen in
elektronischen Geräten daher meistens in großer Zahl zum Einsatz. Statt einzelner Transistoren in
einem eigenen Gehäuse werden zunehmend sogenannte integrierte Schaltungen verwendet, bei denen
mitunter extrem viele Transistoren auf einem einzigen Chip angeordnet sind. Bei modernen
Mikroprozessoren kann die Anzahl der Transistoren mehrere Millionen betragen. Während in der
Analogelektronik nach wie vor gerne Sperrschichttransistoren eingesetzt werden, verwendet man in
der Digitaltechnik vorzugsweise sogenannte MOS-FET-Transistoren (MetallschichtFeldeffekttransistoren). Diese basieren auf einem anderen Wirkungsprinzip als
Sperrschichttransistoren und ähneln in ihrer Funktionsweise wie auch den Kennlinien Röhren. Dem
Nachteil etwas ungünstigerer Kennlinien, der sich in der Digitalelektronik jedoch nicht auswirkt, steht
der Vorteil gegenüber, daß sie einen extrem hohen Eingangswiderstand besitzen. Durch geschickte
Schaltungsauslegung erreicht man, daß die Ruheströme verschwindend gering sind und lediglich bei
einem Schaltvorgang unvermeidliche Sperrschichtkapazitäten umgeladen werden müssen. Dadurch
erreicht man eine deutlich geringere Stromaufnahme. Denn bei einem angenommenen Basisstrom von
1 mA, was nicht viel ist, ergäbe alleine die Summe der Basisströme bei 1 Million Transistoren eine
Stromaufnahme von 1000 A, von den um Zehnerpotenzen größeren Kollektorströmen erst gar nicht zu
reden! Moderne Mikroprozessoren bestehen aus sehr vielen Millionen Transistoren (mittlerweile
deutlich zweistellig), so daß es erstaunlich ist, mit wie wenig Strom sie auskommen, auch wenn es
unbedarften Anwendern im ersten Blick als sehr hoch erscheinen mag, wenn ein leistungsfähiger
Mikroprozessor mehr als 50 W verkonsumiert, was bei einer angenommenen Betriebsspannung von 2
V einen Strom von immerhin 25 A ergibt.
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
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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-SourceStrecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung
erfolgt (nahezu) stromlos.
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 IB(UBE). Da UBE 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
ID(UGS). Sie verläuft ähnlich wie beim Bipolartransistor.
•
Die Stromsteuerkennlinie ist nur für den Bipolartransistor definiert. Sie gibt den
Kollektorstrom in Abhängigkeit vom Basisstrom an, kurz IC(IB). Für einen weiten Bereich
verläuft sie linear. Dort gilt
, wobei B der Stromverstärkungsfaktor ist.
•
Die Ausgangskennlinie gibt beim Bipolartransistor den Kollektorstrom in Abhängigkeit von
der Kollektor-Emitter-Spannung bei konstantem Basisstrom an, kurz IC(UCE). 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 GateSource-Spannung an, kurz ID(UDS). 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 IC(UBE).
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