Spis treści:
- 1 Der Transistor - alles, was Sie wissen müssen
- 2 Transistoren - Halbleiter auf dem Vormarsch
- 3 Transistoren - Nachfolger der Elektronenröhren
- 4 Was sind die grundlegenden Funktionen von Transistoren in elektronischen Schaltungen?
- 5 Transistoren in integrierten Schaltungen
- 6 Bipolare Transistoren
- 7 Wichtige Parameter von Bipolartransistoren
- 8 Betriebszustände von bipolaren Transistoren
- 9 Unipolare Transistoren
- 10 Beispiele für Transistoranwendungen
Der Transistor - alles, was Sie wissen müssen
Der Transistor ist einer der Grundbausteine fast aller elektronischen Geräte um uns herum – egal, wohin man schaut!
Transistoren - Halbleiter auf dem Vormarsch
In diesem Artikel werden die wichtigsten Aspekte des Aufbaus und der Funktionsweise von Transistoren, die in elektronischen Schaltungen verwendet werden, vorgestellt.
Transistoren - Nachfolger der Elektronenröhren
Die Erfindung des Transistors in den späten 1940er Jahren. Die 1970er Jahre waren eine Errungenschaft, die den Verlauf der Technologie weltweit völlig veränderte, wie man heute noch sehen kann. In vielen Anwendungen haben Transistoren die Elektronenröhren verdrängt, wenn auch nicht in allen Anwendungen – Liebhaber elektroakustischer Geräte bevorzugen den Klang von Verstärkern, bei denen zumindest die Endstufe aus Elektronenröhren besteht. Elektronenröhren sind auch ideal für die Mikrowellentechnik und militärische Kommunikationsgeräte. Im Vergleich zu vakuumtechnischen Geräten haben Transistoren jedoch einen viel geringeren Stromverbrauch, und ihre geringe Größe ermöglicht eine Verkleinerung der Gehäuse von elektronischen Geräten. Außerdem können Transistoren als einzelne diskrete Elemente existieren. Die interne Struktur fast jedes integrierten Schaltkreises, sei es ein Operationsverstärker dessen interne Struktur in der Regel Dutzende von Transistoren enthält (z. B. enthält der Operationsverstärker LM741 20 Transistoren), oder Prozessoren für PCs, bei denen die Möglichkeiten des modernen lithografischen Prozesses die Herstellung von Schaltungen aus mehreren zehn Milliarden Transistoren ermöglichen! Daher sind Transistoren fast überall zu finden – in Waschmaschinen, Fernsehgeräten, Autos, Telefonen, Computern, Robotern, Elektrowerkzeugen, Spielzeug, Flugzeugen, Audiogeräten und vielen, vielen anderen Geräten.
Was sind die grundlegenden Funktionen von Transistoren in elektronischen Schaltungen?
Transistoren erfüllen in elektronischen Schaltkreisen im Wesentlichen zwei Funktionen: Sie schalten und verstärken elektrische Signale. Beim Schaltvorgang kann man mit Hilfe von Transistoren das Ein- und Ausschalten des Elektronenflusses in einem beliebigen Teil des elektronischen Schaltkreises je nach dessen Ausdehnungsgrad steuern. Im Gegensatz dazu werden bei der Signalverstärkung durch Transistoren diese Signale mit geringer Amplitude gespeichert und weitergegeben, um sie zu verstärken. Diese Eigenschaft wird u. a. in der Radioelektronik genutzt.
Transistoren in integrierten Schaltungen
Der nächste große technologische Schritt nach der Erfindung der Transistoren war die Entwicklung integrierter Schaltungen, die aus vielen Miniaturtransistoren bestehen. Es ist nach wie vor üblich, Prototypen elektronischer Schaltungen aus diskreten Bauteilen zu erstellen, zu denen unter anderem einzelne Transistoren gehören, z. B. in Audioverstärkern. Diese Praktiken fanden auch zu einer Zeit statt, als integrierte Schaltkreise bereits verfügbar, aber zu teuer waren, um in der Massenproduktion von elektronischen Geräten eingesetzt zu werden.
Bipolare Transistoren
Einer der häufigsten Transistortypen in der modernen Elektronik sind bipolare Transistoren (BJTs), auch bekannt als Sperrschichttransistoren. Solche Transistoren sind eine Kombination aus zwei p-n-Halbleiterübergängen, die zusammen eine dreischichtige Struktur bilden. An der Grenze des p-n-Übergangs selbst treffen Löcher (p) und Elektronen (n) aufeinander. Die einzelnen leitenden Bereiche in einem bipolaren Transistor werden durch Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) nach außen geführt. Nach der Polarität werden bipolare Transistoren in folgende Kategorien unterteilt:
- n-p-n-Transistoren – Der p-Typ-Halbleiter bildet die Basis des Transistors und ist zwischen zwei n-Typ-Schichten eingebettet;
- p-n-p-Transistoren – Der N-Typ-Halbleiter bildet die Basis des Transistors und ist zwischen zwei P-Typ-Schichten eingebettet.
Jeder Bipolartransistor hat zwei Übergänge – einen Basis-Emitter- (B-E) und einen Basis-Kollektor- (B-C) Übergang. Bipolartransistoren sind stromgesteuerte Bauelemente. Durch Anlegen der entsprechenden Spannung an die Basis im Verhältnis zum Emitter über die Begrenzungswiderstände polarisieren Sie diesen Übergang und zwingen den Stromfluss in seinem Stromkreis. Je nach Art des Transistors wird der Stromfluss in einem n-p-n-Transistor durch eine positive Spannung und in einem p-n-p-Transistor durch eine negative Spannung ausgelöst. Die umgekehrte Polarität der Spannung bewirkt, dass der Transistor in den Sperrzustand übergeht.
Wichtige Parameter von Bipolartransistoren
Ein Bipolartransistor und die in ihm ablaufenden Vorgänge lassen sich für praktische Zwecke durch die folgenden Parameter beschreiben:
UBE – Basis-Emitter-Spannung– wenn sie überschritten wird, geht der Transistor in den leitenden Zustand über;
IB – Basisstrom – Strom, der in die Basis des Transistors fließt, steuert den Fluss des Kollektorstroms;
IC – Kollektorstrom – ist gleich dem Basisstrom multipliziert mit der Verstärkung des Transistors;
IE – Emitterstrom – der aus dem Emitter fließende Strom, der die Summe des Basisstroms und des Kollektorstroms ist;
hFE – Stromverstärkungsfaktor des Transistors.
Betriebszustände von bipolaren Transistoren
Ein bipolarer Transistor kann drei Betriebszustände einnehmen.
- Sperrzustand – wenn die Basis-Emitter-Spannung weniger als etwa 0,7 V beträgt, fließt kein Strom in der Basis, und der Widerstand des Kollektor-Emitter-Übergangs zeigt einen Zustand nahe der offenen Schaltung an, so dass der Transistor nicht leitet.
- Aktiver Zustand – wenn die Basis-Emitter-Spannung mindestens etwa 0,7 V beträgt, fließt ein Strom durch die Basis und der Widerstand des Kollektor-Emitter-Übergangs wird deutlich verringert. Der Wert des Kollektorstroms im leitenden Zustand ist proportional zum Basisstrom. Das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom bestimmt die Stromverstärkung des Transistors. In dieser Betriebsart fungiert der Transistor als einfacher Stromverstärker.
- Sättigungszustand – wenn die Basis-Emitter-Spannung größer als etwa 0,7 V ist, wird der Basisstrom entsprechend erhöht. Der Widerstand des Kollektor-Emitter-Übergangs nimmt dann noch weiter ab. In diesem Fall ist der Wert des durch den Kollektor fließenden Stroms am höchsten. Ein solcher Transistor verhält sich wie ein Schalter, der den Stromkreis über den kleinstmöglichen Widerstand des Kollektor-Emitter-Übergangs kurzschließt. Unter diesen Bedingungen liegt der Wert des Emitterstroms nahe an dem des Kollektorstroms, da der Basissteuerstrom in der Regel gering ist.
Unipolare Transistoren
Neben den bipolaren Transistoren sind die unipolaren Transistoren, die auch als Feldeffekttransistoren (FETs) bezeichnet werden, bei Elektronikern sehr bekannt und beliebt. Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren sind es spannungsgesteuerte Bauelemente. Der Leitungskanal eines Feldeffekttransistors kann entweder aus einem n-Typ Halbleiter oder einem p-Typ Halbleiter bestehen. Entlang des leitenden Drain-Source-Kanals befindet sich eine Steuerelektrode, das so genannte Gate, das aus einem Halbleiter mit der entgegengesetzten Leitfähigkeit besteht. So besteht bei einem n-Kanal-Feldeffekttransistor das Gate aus einem p-Halbleiter und bei einem p-Kanal-Feldeffekttransistor das Gate aus einem n-Halbleiter. Zu den wichtigsten Untertypen von Feldeffekttransistoren gehören MOSFETs und J-FETs, die sich vor allem im Gate-Design unterscheiden. Durch Anlegen der entsprechenden Schwellenspannung zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors wird dieser in den leitenden Zustand geschaltet, wobei der n-Typ-Kanal-Feldeffekttransistor durch eine positive Spannung und der p-Typ-Kanal-Feldeffekttransistor durch eine negative Spannung ausgelöst wird.
Das Gate ist gegenüber dem Drain-Source-Kanal durch eine dünne Schicht aus Siliziumoxid isoliert. Ein Überschreiten der zulässigen Steuerspannung (typischerweise um 20 V) führt in den meisten Fällen zu einer irreversiblen Schädigung des Transistors. Aus diesem Grund sind solche Transistoren auch empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung, weshalb sie in entsprechend geschützten ESD-Behältern gelagert werden sollten.
Beispiele für Transistoranwendungen
Die Palette der praktischen Anwendungen für Transistoren ist nahezu unbegrenzt. Mit Hilfe dieser Bauteile können Sie durch die Auswahl der richtigen Hilfselemente (z. B. Dioden, Widerstände, Kondensatoren) und deren richtige Kombination verschiedene elektronische Schaltungen erstellen. Zu den beliebtesten Anwendungen für Transistoren gehören Audioverstärker, bei denen sowohl die Vorverstärkerstufe als auch die Leistungsstufe auf Transistoren aufgebaut werden können, wobei zu beachten ist, dass je höher die Leistung der Transistoren in der Leistungsstufe ist, desto größer der Kühlkörper gewählt werden muss. Transistoren können auch zum Bau von Akustikgeneratoren und komplexen Steuersystemen wie Relais und Kontaktgebern verwendet werden.
