Aufbau und Wirkungsweise von Transistoren

Transfer Resistor (Übertragungswiderstand, übertragender Widerstand) war die Arbeitsbezeichnung für das in den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts in Angriff genommene Projekt, ein Halbleiterbauelement auf Halbleiterbasis zu entwickeln, das die Funktion einer Verstärkerröhre realisieren kann. Aus dieser Bezeichnung wurde der Name des Bauelements - des Transistors - abgeleitet (Bild 1).
Der Aufbau der verschiedensten Arten von Transistoren ist relativ ähnlich. Das gilt auch für die grundsätzliche Wirkungsweise.

Prinzipieller Aufbau von Transistoren

In einem Transistor wird ein Laststrom, der von einer Elektrode (Quelle) zu einer anderen (Senke) fließt, mithilfe einer dritten Steuerelektrode in seiner Stärke beeinflusst.
Grundsätzlich unterscheidet man vom Aufbau her zwei verschiedene Transistorstrukturen: In der ersten fließt der zu steuernde Laststrom über Grenzflächen aneinander grenzender p- und n-Bereiche. Die Steuerung erfolgt über die Veränderung der Durchlässigkeit der zu passierenden Grenzschichten. Diese Art von Transistoren werden als Bipolartransistoren bezeichnet (Bild 2). Die drei Anschlüsse nennt man Emitter E, Kollektor C und Basis B.

In der anderen Variante fließt der zu steuernde Strom zwischen Quelle und Senke stets in einem dotierten Gebiet, das als Kanal bezeichnet wird. Dieses kann durchgängig n- oder p-leitend sein. Die Steuerung des Laststromes kann z.B. durch Veränderung des Kanalquerschnittes oder der darin vorhandenen Ladungsträgerdichte erfolgen. Diese Art von Transistoren werden als Feldeffekttransistoren bezeichnet (Bild 3). Die drei Anschlüsse nennt man Source S, Drain D und Gate G.

Wirkungsweise von Transistoren

Um die grundlegende Wirkungsweise eines bipolaren Transistors zu verstehen, darf man die beiden pn-Übergänge als zwei hintereinandergeschaltete Dioden ansehen, deren Durchlassrichtungen entgegengesetzt sind.
Legt man zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung, dann wird durch den Transistor - egal wie die Spannungsquelle gepolt ist - kein Strom fließen. Man nennt den Stromkreis zwischen E und C den Kollektorstromkreis.
Schaltet man zwischen E und B eine weitere Spannungsquelle ein, dann kann bei entsprechender Polung der pn-Übergang zwischen Emitter und Basis die Durchlassrichtung geschaltet werden. Bei einem npn-Transistor fließen dann Elektronen von E nach B im sogenannten Basisstromkreis. Mit einem Strommesser kann man diesen Elektronenfluss als Basisstrom nachweisen.
Die Elektronen, die von E kommend in die Basis gelangen, beeinflussen auch den pn-Übergang zwischen B und C. Dies hängt mit der geringen Dicke der Basis zusammen. Ist der Kollektor mit dem positiven Spannungspol im Kollektorstromkreis verbunden, dann werden die negativ geladenen Elektronen zum Kollektor hin aus der Basis abgesaugt. Nur ein sehr kleiner Teil der Elektronen (weniger als 1 %) erreichen den Basisanschluss oder anders formuliert: Da wesentlich mehr Elektronen in den Kollektorstromkreis gelangen, fließt dort ein wesentlich größerer Strom als im Basisstromkreis.

Kennlinien eines Transistors

Genauer lassen sich die Zusammenhänge beim Transistor in Kennlinien erfassen.

Eine Kennlinie ist die Gesamtheit zusammengehörender Betriebswerte eines Bauelements, die sich bei seinem Anschluss an beliebige Spannungsquellen einstellen können. Jedes Betriebswertesystem, das zu einem Messvorgang gehört, wird auch Arbeitspunkt genannt.

Natürlich ist während derartiger Messungen darauf zu achten, dass die für das konkrete Bauelement vom Hersteller vorgegebenen Grenzwerte nicht überschritten werden. Die Dimensionierung der Messschaltung hängt vom verwendeten Transistor ab. Die prinzipielle Messschaltung für einen npn-Transistor zeigt Bild 5.

Wichtig für den Betrieb eines Transistors ist der Bereich, in dem alle seine Arbeitspunkte liegen dürfen, die einen sicheren Betrieb (also ohne Zerstörungsgefahr) gewährleisten. Dieser Bereich wird in der Literatur als SOAR (safe operating area) bezeichnet.

Die dazu erforderlichen Daten muss man dem Datenblatt des Herstellers des Bauelements entnehmen. Es sind das folgende Angaben:

$\begin{array}{l}{I}_{C,\max }\text{ (maximale Kollektorstromstärke)}\\ U_{CE,\max }\text{ (maximale Kollektor-Emitter-Spannung)}\\ P_{\text{V}}\text{ (gesamte Kollektorverlustleistung}\text{, die}\\ \text{ für eine zulässige Temperatur nicht überschritten}\\ \text{ wird; }{P}_{\text{V}}\text{= }{I}_{\text{C}}\cdot U_{\text{CE}}\text{)}\end{array}$

Die einzelnen Kennlinien, d.h. die Zusammenhänge zwischen jeweils zwei Größen, wobei die anderen Größen als Parameter konstant gehalten werden, fasst man bei Transistoren meist zu einem Kennlinienfeld zusammen. Bild 6 zeigt, wie das Kennlinienfeld eines Transistors aufgebaut ist. Mit ihm werden alle für den Betrieb wichtigen Zusammenhänge erfasst.

In Bild 7 ist ein Kennlinienfeld für einen Transistor dargestellt. Die Interpretation eines solchen Kennlinienfeldes ermöglicht auch Grundaussagen, die die Wirkungsweise eines Transistors als Schalter und als Verstärker kennzeichnen. Beide Funktionen sind in gesonderten Beiträgen erläutert:

• Fließt kein Basisstrom, so fließt auch kein Kollektorstrom.
• Eine kleine Änderung des Basisstromes bewirkt eine große Änderung des Kollektorstromes.
• Eine geringe Änderung der Basisspannung führt zu einer erheblichen Änderung der Kollektorspannung.

Aus einem Kennlinienfeld lassen sich auch wichtige Größen für einen Transistor ermitteln:
$\begin{array}{l}\text{Stromverstärkung}B=\frac{\Delta I_{\text{C}}}{\Delta I_{\text{B}}}\\ \text{Spannungsverstärkung}{V}_{\text{U}}=\frac{\Delta U_{\text{CE}}}{\Delta U_{\text{BE}}}\\ \text{Leistungsverstärkung}V=B\cdot V_{\text{U}}\\ \text{Verlustleistung}{P}_V=I_{\text{C}}\cdot U_{\text{BE}}\end{array}$