Dioden, LEDs und Transistoren – Transistoren

Was ist ein Transistor?

Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, was ein Transistor ist oder in welchen Geräten ein Transistor verbaut ist. Dir ist es vielleicht nicht bewusst, aber gerade in diesem Moment benutzt du mehrere Milliarden Transistoren, um dir unser Video und diesen Text anzuschauen. Auch in deinem Handy sind weit über eine Million dieser Bauteile verbaut. Denn Transistoren sind die Hauptbestandteile elektronischer Schaltungen und damit essenziell für Computer, Laptops und Handys. Dabei kann ein Transistor verschiedene Funktionen erfüllen, wie zum Beispiel die Verstärkung von Signalen.

Wie funktioniert ein Transistor?

Transistor — Aufbau

Ein Transistor besteht per Definition aus zwei Dioden, die in umgekehrter Richtung aneinandergesetzt werden. Dioden sind elektronische Bauelemente, die in eine Richtung einen Stromfluss bei Übertreten eines Schwellenwertes durchlassen und in die andere Richtung den Stromfluss sperren. Eine Diode besteht üblicherweise aus Materialien unterschiedlicher Dotierung. Das bedeutet, dass Fremdatome in das Trägermaterial eingebracht werden. Bei der p-Dotierung werden Elektronen-Akzeptoren implantiert, Elektronen werden also besser aufgenommen und vereinfacht dargestellt angezogen. Bei der n-Dotierung werden Elektronen-Donatoren eingebracht und Elektronen können besser abgegeben werden.

Je nachdem, ob sich bei der Zusammensetzung zweier Dioden die n-dotierten oder die p-dotierten Schichten berühren, unterscheidet man den p-n-p- und den n-p-n-Transistor. Die drei Schichten, die so entstehen, heißen in beiden Ausführungen Emitter, Basis und Kollektor. Transistoren mit ihren Schichten inklusive Beschreibung kannst du in der folgenden Abbildung sehen:

Transistor — Funktionsweise

Um einen Transistor zu betreiben, benötigen wir zwei Stromkreise. Den Basisstromkreis, auch Primärstromkreis, der Emitter und Basis miteinander verbindet, und den Kollektorstromkreis, auch Sekundärstromkreis, der Emitter und Kollektor miteinander verbindet. Dabei liegt in beiden Stromkreisen der Minuspol am Emitter an. Diese Art, einen Transistor zu betreiben, nennt man Emitterschaltung. Eine schematische Darstellung ist in der folgenden Abbildung gezeigt:

Die Elektronen, die von den Minuspolen ausgehend durch den Transistor wandern, werden vom Pluspol des Basisstromkreises zur Basis gezogen und wandern von dort zum Pluspol ab. Allerdings ist die Basis so dünn und schwach dotiert, dass ein großer Teil der Elektronen in den Kollektor gelangt und dort zum Pluspol des Kollektorstromkreises wandert. Die Stromstärke im Kollektorstromkreis hängt also von der Spannung im Basisstromkreis ab und ist außerdem wesentlich größer.

Transistor — Kennlinie

Wenn wir ein Diagramm erstellen, in dem wir auf der x-Achse die Basisspannung $U_B$ und auf der y-Achse die Kollektorstromstärke $I_K$ auftragen, erhalten wir die Kennlinie des Transistors. Die Transistorkennlinie und die dazugehörige Schaltung inklusive Transistor-Schaltzeichen siehst du in der folgenden Abbildung:

Hier ist der Transistor in der Emitterschaltung geschaltet. Das bedeutet, dass die Pole des Kollektorstromkreises mit Emitter und Kollektor und die Pole des Basisstromkreises mit Emitter und Basis des Transistors verbunden sind. Im Diagramm können wir drei Bereiche unterscheiden. Im ersten Bereich fließt überhaupt kein Strom. Dieses Verhalten können wir leicht verstehen, wenn wir uns den Aufbau des Transistors noch einmal ins Gedächtnis rufen: Der Basisstromkreis stellt einfach eine in Durchlassrichtung gepolte Diode dar. Damit überhaupt ein Strom fließen kann, muss zunächst die Schwellenspannung überwunden werden. Sobald diese erreicht ist, fließt auch im Kollektorstromkreis des Transistors ein Strom, der bei gleichbleibender Kollektorspannung proportional zur Basisspannung anwächst. Das ist der zweite Bereich der Transistorkennlinie. Im dritten Bereich erreicht die Kollektor-Stromstärke dann ein Plateau. Hier entspricht der gesamte Transistor einer in Durchlassrichtung gepolten Diode und es fließt die maximale Kollektorstromstärke.

Transistor: Beispiele

Was macht ein Transistor?

Wie genau die Kennlinie eines Transistors aussieht, hängt vor allem davon ab, wie die einzelnen Bereiche dotiert und aufgebaut sind. So erhält man verschiedene Kennlinien für den Transistor, die unterschiedliche Verwendungen möglich machen.

Wählt man die Dotierung so, dass der zweite Bereich der Kennlinie möglichst breit ist und näherungsweise linear ansteigt, bewirkt innerhalb eines großen Spannungsbereichs eine kleine Änderung der Basisspannung eine große Änderung des Kollektorstroms. Der Transistor dient dann als Verstärker. Das findet zum Beispiel in der Audiotechnik Anwendung, wenn ein Transistor zur Stromverstärkung eines Mikrofonsignals genutzt wird, das über Lautsprecher wiedergegeben werden soll.

Wählt man hingegen die Dotierung so, dass der zweite Bereich der Kennlinie sehr schmal und steil ist, kann der Transistor als Schalter benutzt werden, der extrem schnell zwischen den Zuständen kein Stromfluss und ungehinderter Stromfluss wechseln kann. Gerade diese Funktion ist extrem bedeutend, denn sie ist die Basis aller Computer, die mit Binärcodes arbeiten.

Zusammenfassung zu Transistoren

In diesem Video lernst du den Aufbau und die Funktionsweise eines Transistors kennen. Du weißt nun, dass Transistoren in unserem Alltag eine große Rolle spielen. Auch zu diesem Thema gibt es interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt.