Transistor
Transistoren sind überall: Ob in deinem Smartphone, in deinem Computer oder in deinem Ladegerät. In diesem Beitrag erhältst du einen Überblick wichtiger Transistor-Typen und deren Funktionsweise.
Du bevorzugst Videos? Perfekt! Auch zum Thema Transistor haben wir ein animiertes Video .
Inhaltsübersicht
Transistor einfach erklärt
Mit einem Transistor kannst du Ströme steuern. Die Bezeichnung „steuern“ kannst du dir wie bei einem Brems- und Gaspedal in einem Auto vorstellen: Du kannst den Stromfluss innerhalb einer elektrischen Schaltung abbremsen, sodass überhaupt kein Strom fließt (der Transistor funktioniert als Schalter). Du kannst aber den Stromfluss auch stark beschleunigen, wodurch ein viel stärkerer Strom fließt (der Transistor funktioniert als Verstärker).
Wenn du dir einen Transistor schnappst, dann ist die Chance sehr hoch, dass es sich dabei um entweder einen Feldeffekttransistor (FET) oder einen Bipolartransistor (BJT) handelt. Feldeffekttransistoren werden überwiegend überall dort verwendet, wo hohe Ströme , Bipolartransistoren hingegen dort, wo geringe Ströme fließen.
Was ist ein Transistor?
Im Kern ist ein Transistor entweder ein strom- oder spannungsgesteuerter Widerstand . Feldeffekttransistoren sind spannungsgesteuerte, Bipolartransistoren sind stromgesteuerte Widerstände.
Was genau bedeutet es, wenn ein Widerstand strom- oder spannungsgesteuert ist? Wenn du einen „normalen“ Widerstand in die Hand nimmst, dann hat er einen festen Wert. Bei einem strom- oder spannungsgesteuerten Widerstand, kannst du den Widerstandswert durch einen Stromfluss oder durch Anlegen einer Spannung verändern.
Genau darin liegt die Macht der Transistoren: Du brauchst keinerlei mechanischen Prozess (wie z. B. bei deinem Lichtschalter), um den Stromfluss innerhalb einer elektrischen Schaltung zu kontrollieren. Das ist der Grund, weshalb du zum Beispiel in deinem Smartphone Millionen von Transistoren vorfindest.
Feldeffekttransistor vs. Bipolartransistor
Neben der Art, wie du die Widerstandswerte eines Feldeffekttransistors oder Bipolartransistors ändern kannst, unterscheiden sie sich in einem weiteren wichtigen Punkt: Die „Art“ der Ladungsträger , die zum Stromfluss beiträgt.
Bei einem Bipolartransistor sind das Elektronen und Löcher. Daher kommt auch der Teil „Bi“ im Namen. Bei einem Feldeffekttransistor sind das hingegen entweder Elektronen oder Löcher, also nur eine „Art“ an Ladungsträger.
NPN Transistor
Bei einem NPN Transistor gibt dir die Bezeichnung 
an, wie die Reihenfolge der Dotierung
ist: 
steht für 
(also n-Dotierung) und 
für 
(also p-Dotierung). Das heißt, du hast zwei p-n-Übergänge
.
Was du dann mit einem NPN Transistor im Wesentlichen machen kannst, ist den Stromoutput durch einen kleinen, sogenannten Basisstrom (dem Input) zu steuern. Der Output (die Elektronen, die über den Kollektor (C) hinausfließen) ist dabei viel größer als der Input (der Strom an der Basis (B)). Du hast also erfolgreich eine Stromverstärkung durchgeführt.
Viel mehr zum NPN Transistor kannst du in unserem ausführlichen Video finden.
PNP Transistor
Analog zum NPN Transistor gibt dir auch beim PNP Transistor die Bezeichnung 
zwei Hinweise: (1) Du hast es mit drei Schichten zu tun und (2) diese Schichten sind in der Reihenfolge , und dann wieder dotiert.
Am einfachsten kannst du den PNP Transistor verstehen, wenn du dir schon einmal den NPN Transistor angesehen hast. Du musst nur Elektronen durch Löcher ersetzen, die Stromrichtungen umkehren und die Polaritäten der Spannungen vertauschen (das heißt aus einer positiven Spannung wird eine negative Spannung und umgekehrt).
Wie genau das funktioniert, kannst du in unserem animierten Video dazu finden.
JFET (SFET)
Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET, im englischen JFET) bekommt seinen Namen aus zwei Gründen: (1) Ist nur eine Art Ladungsträger am Stromfluss innerhalb des Transistors beteiligt (daher Feldeffekttransistor) und (2) wird die Größe der Sperrschicht zwischen den beiden p-n-Übergängen verändert, um den Stromfluss zu kontrollieren (daher der Zusatz „Sperrschicht“).
Je nachdem wie der Kanal, durch denen die Ladungsträger fließen, dotiert ist, findest du die Bezeichnungen n-Kanal-JFET und p-Kanal-JFET.
n-Kanal-JFET
Bei einem n-Kanal-JFET hast du einen n-dotierten Bereich, der von einem p-dotierten Bereich umgeben ist. Dadurch erzeugst du zwei p-n-Übergänge.
Aus der n-Schicht zeigen zwei Anschlüsse heraus: Der Drain- (D; englisch für „Abfluss“) und Sourceanschluss (S; englisch für „Quelle“). Der Weg von Drain zu Source bildet den n-Kanal. An der p-Schicht befindet sich der Gateanchluss (G; englisch für „Tor“). Indem du an diesem Anschluss eine Spannung anlegst, kannst du die Größe der Sperrschicht der beiden p-n-Übergänge verändern und dadurch den Stromfluss steuern.
n-Kanal-JFET Funktionsweise
Wenn du am Gate keine Spannung anlegst, dann verhält sich der JFET wie ein gewöhnlicher Widerstand: Es fließt also ein Strom. Wenn du aber am Gate eine negative Spannung anlegst, so verändert sich die Situation. Du kannst dir das wie bei einem Gartenschlauch vorstellen: Wenn du das Ende verengst, so beeinträchtigst du den Wasserfluss.
Auf ähnliche Weise führt eine negative Spannung am Gate dazu, dass der n-Kanal schmaler wird, wodurch der Stromfluss behindert wird. Irgendwann ist die negative Gate-Spannung so groß, dass der n-Kanal komplett blockiert ist; es fließt kein Strom mehr.
MOSFET
Die Abkürzung 
steht für 
. Dabei steht das „S“ für „Semiconductor“, der englischen Bezeichnung für „Halbleiter“.
Auch beim MOSFET findest du die drei Anschlüsse: Drain (D), Source (S) und Gate (G). Der Anfang der Bezeichnung, das „MOS“, gibt dir den Hinweis, wie der Gate-Anschluss realisiert wird. Der Anschluss selber besteht aus Metall (daher „M“), der vom Halbleiter (das „S“) durch eine Oxidschicht (das „O“) getrennt wird.
Wie beim JFET, hast du auch beim MOSFET ein Kanal, durch den die Ladungsträger fließen sollen. Wenn der Kanal n-dotiert ist, findest du die Bezeichnung NMOS. Ist er hingegen p-dotiert, findest du die Bezeichnung PMOS.
Wie der MOSFET genau aufgebaut ist und wie er funktioniert, findest du in unserem Video.
Transistor Schaltzeichen
Je nachdem welche Art von Transistor du vorliegen hast und welche Grundbauart davon du verwenden möchtest, findest du ein unterschiedliches Schaltzeichen. Damit du einen Überblick der verschiedenen Darstellungen in elektrischen Schaltungen bekommst, geben wir dir hier eine kurze Liste gängiger Schaltzeichen.
Transistor als Schalter
Zum Schluss schauen wir uns an, wie ein Transistor als elektrischer Schalter realisiert wird. Dazu betrachten wir die folgende einfache Schaltung.
Die elektrische Schaltung besteht also aus fünf Komponenten: Zwei Widerstände, eine Spannungsquelle, ein Verbraucher (die LED) und ein NPN Transistor.
Schließen wir die Basis-Strecke am positiven Pol der Spannungsquelle, so wird der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke gering. Das entspricht dem Zustand eines „geschlossenen Schalters“. Die LED wird daher leuchten.
Schließen wir die Basis-Strecke hingegen nicht an die Spannungsquelle an, so ist der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke groß. Das ist ähnlich zu der Situation eines „geöffneten Schalters“. Die LED wird nicht leuchten. Analog verhält sich die Situation, wenn wir die Basis-Strecke an das Minuspol der Spannungsquelle anschließen.
Die Spannung an der Basis-Strecke muss dabei so positiv sein, dass die verbleibende Spannung nach dem Spannungsabfall an dem Vorwiderstand mindestens noch 0,7 Volt beträgt.
Je nach verwendeten Transistor, ist die Stromverstärkung unterschiedlich. Durch den zusätzlichen Widerstand in der Kollektor-Emitter-Strecke kannst du den tatsächlichen Strom, der durch den Verbraucher fließen wird, begrenzen.