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Ratgeber

Transistoren » Steuerung, Verstärkung, Erzeugung elektrischer Signale

Transistoren gehören zweifellos zu den wichtigsten elektronischen Bauelementen. Sie dienen als Schalter sowie der Verstärkung, Steuerung und Erzeugung elektrischer Signale. Es gibt sie einzeln oder milliardenfach auf einem Chip in Briefmarkengröße. In diesem Ratgeber erfahren Sie in Grundzügen, wie diese aktiven Bauelemente aufgebaut sind, wie sie funktionieren und welche Typen den Markt dominieren.



Aufbau und Funktion von Transistoren

Ein Transistor besteht in der Regel aus drei einzelnen elektrischen Halbleitermaterialien: dem Emitter, dem Kollektor und der Basis. Ein an die Basis angelegtes elektrisches Signal beeinflusst dessen Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, der in den meisten Anwendungen zwischen Emitter und Kollektor fließt. Eine Spannungsquelle treibt den Strom an, während die Rate des Stromflusses durch das Bauelement zu einem bestimmten Zeitpunkt durch ein Eingangssignal an der Basis geregelt wird – vergleichbar einem Wasserhahn zur Regulierung des Wasserauslaufs.

Die Funktionsweise hängt stark vom Verhalten von Elektronen und Löchern an der Grenzfläche zwischen einer positiven und einer negativ geladenen Schicht ab, die als pn-Übergang bezeichnet wird. Dieser Übergang wurde 1940 von dem Elektrochemiker Russell Ohl von den Bell Labs entdeckt. Er entsteht durch das Hinzufügen von Verunreinigungen in den Halbleiterelementen Germanium oder Silizium.

Die Zugabe dieser Verunreinigungen wird als Dotierung bezeichnet und funktioniert so: 

Atome von Elementen der Gruppe 15 des Periodensystems wie Phosphor oder Arsen geben Elektronen ab, die keinen natürlichen Platz im Kristallgitter des Halbleiters besitzen. Die überschüssigen Elektronen sind daher locker gebunden und können sich relativ frei bewegen, um als Ladungsträger elektrischen Strom zu leiten. Atome von Elementen der Gruppe 13 wie Bor oder Aluminium verursachen dagegen ein Elektronendefizit, wenn sie als Verunreinigungen hinzugefügt werden. Bildlich gesprochen entstehen damit Löcher im Gitter. Diese positiv geladenen quantenmechanischen Einheiten können sich ebenfalls ziemlich frei bewegen und Strom leiten.

Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen sich die Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Wenn keine Spannung an den Übergang angelegt wird, sammeln sich Elektronen und Löcher auf den gegenüberliegenden Seiten der Grenzfläche und bilden eine Verarmungsschicht, die als Isolator zwischen den beiden Seiten wirkt. Eine negative Spannung an der n-Schicht treibt ihre überschüssigen Elektronen zur Grenzfläche, an der sie sich mit den positiv geladenen Löchern verbinden. Ergebnis: Strom fließt. Wird stattdessen eine die n-Schicht positiv versorgt, zieht das entstehende elektrische Feld die Elektronen von der Grenzfläche weg. In diesem Fall wird – abgesehen von winzigen Leckströmen – kein Strom fließen. Der Strom bewegt sich bei einem pn-Übergang also nur in eine Richtung, das heißt, ein pn-Übergang wirkt wie ein Gleichrichter.



Die wichtigsten Transistortypen

Es gibt zwei wichtige Gruppen, und zwar bipolare Transistoren und unipolare Feldeffekttransistoren, abgekürzt FET. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Art der Ansteuerung, sondern auch bei der Bezeichnung der Anschlüsse. Bei Bipolartransistoren gibt es Basis, Kollektor und Emitter, FETS dagegen verwenden Gate, Drain und Source.



Typen und Bauformen von Transistoren

Transistoren sind es in vielen verschiedenen Halbleitergehäusen erhältlich. Die beiden Hauptkategorien sind durchkontaktiert beziehungsweise bedrahtet und SMD für die Oberflächenmontage. Die Gehäuse bestehen aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff. Leistungstransistoren besitzen in der Regel größere Gehäuse, die zur besseren Kühlung an Kühlkörper geklemmt werden können. Außerdem ist bei den meisten Leistungstransistoren der Kollektor oder Drain physisch mit dem Metallgehäuse verbunden. Im Gegensatz dazu sind einige SMD-Mikrowellentransistoren so klein wie Sandkörner.

Oft ist ein bestimmter Transistortyp in mehreren Gehäusen erhältlich. Transistorgehäuse sind größtenteils genormt, die Zuordnung der Funktionen eines Transistors zu den Anschlüssen jedoch nicht – selbst bei ein und demselben Transistortyp kann die Anschlussbelegung variieren.

Eine besondere Bauform sind Transistor-Arrays. Sie bestehen aus zwei oder mehr Transistoren auf einem gemeinsamen Substrat. Im Gegensatz zu höher integrierten Schaltungen lassen sich diese einzeln wie diskrete Bauelemente verwenden. Das heißt: Sie sind nicht miteinander verbunden, um eine bestimmte Funktion zu realisieren. 

Die Arrays können aus Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren bestehen. Wesentliche Vorteile sind die Platzersparnis auf der Leiterplatte und das Sicherstellen einer engen Abstimmung der Parameter zwischen den Bauelementen. Die Verringerung der Leiterplattenfläche ist besonders für digitale Schaltungen von Bedeutung, bei denen mehrere Schalttransistoren in einem Gehäuse zusammengefasst sind.



FAQ – häufig gestellte Fragen

Worauf ist bei der Verwendung von Arrays zu achten?

Eine Besonderheit besteht darin, dass das Substrat häufig als separater Anschluss vorhanden ist, bezeichnet mit Substrat, Masse oder Erde. Vor allem beim Anschluss des Substrats ist Vorsicht geboten, um die Isolierung zwischen den Bauelementen im Array aufrechtzuerhalten, da in der Regel eine pn-Übergangsisolierung verwendet wird. Bei einem Array von NPN-Typen beispielsweise ist das Substrat mit der negativsten Spannung im Schaltkreis zu verbinden.

Was ist beim Einlöten zu beachten?

Die meisten Halbleiter also auch Transistoren sind für eine Temperatur von bis zu 200 Grad Celsius für maximal 10 Sekunden ausgelegt. Viele Experten verwenden allerdings Lötkolben, deren Spitzen deutlich heißer sind, aber den Lötvorgang schnell abschließen. Bei bedrahteten Transistoren hat sich seit langem ein Trick etabliert, der einer Überhitzung entgegenwirkt: Das Halten der Anschlussdrähte während des Lötvorgangs mit einer Flachzange. Die leitet zuverlässig die Wärme der Lötspitze ab, bevor diese das Transistorgehäuse erreicht.

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