Transistoren

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor bezeichnet im allgemeinen ein aus Halbleitermaterialien aufgebautes Bauteil, das den Stromfluss über zwei Pins anhand einer Stellgröße an einem dritten Pin(Basis oder Gate) steuern kann. Dabei unterschiedet man Bipolartransistoren und Feldeffekt Transistoren. Bipolartransistoren steuern den Strom über den sogenannten Basis-Strom, Feldeffekttransistoren steuern den Strom über ein elektrisches Feld, daher anhand der Spannung am Gate. Zusätzlich gibt es noch unterschiedliche Ausprägungen bezüglich Dotierungen(P und N Transistoren), Selbstleitend und Selbstsperrend, Aufbau, Funktionsweise und Anwendungsgebiete.

Aufbau und Funktion

Hier sollen nun kurz der Aufbau der am häufigsten zu findenden Transistoren erklärt werden.

Bipolartransitor

Der Bipolartransistor ist einer der ältesten Transistor-typen und noch immer sehr gebräuchlich. Grundsätzlich besteht der Bipolartransistor aus 3 Schichten wechselnder Dotierung, praktischer Weise sind die Transistoren danach auch benannt:
Aufbau NPN und PNP Transistor

Der Strom IC beim NPN-Transistor wird über den Basisstrom IB gesteuert. Dabei ist zu beachten, dass der Strom in die Basis hinein und über den Emitter abfließt. Daher muss die Spannung UBE positiv sein. Zudem muss die Basis-Emitter-Spannung UBE aufgrund des Diodenübergangs eine Mindestspannung überschreiten. Beim BC547 wären das ca 0.58V.
Der Zusammenhang zwischen IB und IC wird über den „DC Current Gain“ hFE gegeben: IC = IB * hFE.hFE liegt je nach Transistor-Typ zwischen 20 und 1000, ist aber stark vom tatsächlichen Transistor, Temperatur und anderen Faktoren abhängig, es ist daher nicht zu empfehlen Stromverstärkungen auszurechnen.
Zudem ist der Spannungsabfall UCE abhängig vom Basisstrom.
Daraus ergeben sich bestimmte Anforderungen an den Betrieb eines NPN-Transistors. Damit der Basisstrom fließen kann, muss der Emitter auf einem niedrigeren Potential als die Basis liegen. Zudem muss man beachten, dass neben dem Collector-Srom auch der Basis-Strom aus dem Emitter fließt. Daher schaltet man den Emitter in der Regel gegen Masse und den Collector an die low-side der Last:
NPN-Schaltung
Der Basiswiderstand sorgt dafür, dass der Strom durch die Basis nicht zu groß wird und das Bauteil zerstört, gleichzeitig aber die UBE auf das notwendige Level hebt.
Wichtig zu beachten ist auch, dass IC nicht den tatsächlich fließenden Strom bezeichnet, sondern den maximal möglich fließenden Strom. Wenn die Last nicht genug Strom fließen lässt, so wird UCE minimal und wirkt wie ein Schalter. Im anderen Fall, es könnte ein höherer Strom als IC fließen, so agiert der Transistor wie eine Konstantstromquelle. Die Spannung UCE wird so groß, dass der Strom IC = IB * hFE fließt.
Aber, dieses Verhalten hat seine Grenzen, diese wird erreicht wenn der Transistor in Sättigung geht(es gibt keine weiteren freien Ladungsträger im Halbleitermaterial um mehr Strom fließen zu lassen). Dies wird erreicht wenn die Basis-Emitter-Spannung zu hoch wird, beim BC547 wären das 900mV. Für eine Anwendung muss man also sicherstellen, dass der Transistor nicht in die Sättigung gerät, bevor der maximale Collectorstrom erreicht ist.

Der PNP-Transistor ist von der Funktion her dem NPN-Transistor gleich, es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede. Zum einen fließt der Basisstrom nicht in die Basis hinein, sondern daraus heraus, ist also negativ nach dem oben eingezeichneten Strompfeil. Daraus ergibt sich, dass man den PNP in der Regel mit dem Emitter gegen die Versorgugnsspannung schließt und den Basisstrom über einen Widerstand gegen Masse abfließen lässt, während die Last gegen Masse angeschlossen wird:
PNP-Schaltung

Auch hier gilt es, dass die Spannung UBE größer als die Sättigungsspannung(Diodenübergang) ist, aber nur in Respekt zum Emitter, nicht in Bezug zur Masse.

Auch wichtig zur Auswahl eines Transistors für eine Anwendung neben dem Maximalstrom sind auch die Maximale Collector-Emitter Spannung und die „Breakdown Voltage“, die angeben ab wie viel Volt das Bauteile zerstört wird. Auch muss man beachten, dass über den Transistor immer eine Spannung abfällt, damit also auch Wärme entsteht.

Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren nutzen ein elektrisches Feld um den Stromfluss zu steuern. Hier wollen wir uns nur die MOSFETs anschauen, da diese am häufigsten zu finden sind.
Auch MOSFETs haben wieder zwei unterschiedliche Konstruktionsarten, N-Kanal und P-Kanal Typen:
MOSFET Schaltsymbole

Der Unterschied liegt in der Dotierung des Basismaterials und der Elektroden:
Mosfet Prinzipaufbau
Das Basismaterial beim N-Kanal MOSFET ist P-Dotiert, beim P-Kanal ist es ein N-Dotiertes Material. Die roten Elektroden sind dementsprechend beim N-Kanal MOSFET N-Dotiert und beim P-Kanal MOSFET P-Dotiert. Das Gate liegt über dem Übergang zwischen den Source und Drain Elektroden und ist elektrisch Isoliert. Die N und P Schichten bilden einen PN-Übergang und damit wieder eine Diode, die einen Stromfluss im Grundzustand verhindert. Im Diagramm ist der Aufbau symmetrisch, womit Drain und Source gleichwertig sind. Jedoch sollte man Drain und Source nicht vertauschen, da in der Praxis MOSFETs asymmetrisch aufgebaut sind, um bestimmte Vorteile zu erzielen.
Das Gate bildet mit dem Basissubstrat ein Kondensator. Lädt man nun das Gate auf eine bestimmte Spannung auf, so sorgt das elektrische Feld dafür, dass sich ein Leitungskanal zwischen Source- und Drain aufbaut. Die Gate-Spannung wird immer in Bezug auf Source angegeben.
Damit der MOSFET leitend wird, muss die Gate-Spannung UGS einen gewissen Schwellenwert überschreiten. Der Schwellenwert liegt in der Regel bei ca. 10V, es gibt aber auch Typen die bei weniger Spannung anfangen zu leiten, bis runter zu weniger als 1V in modernen Microprozessoren.
Auch wichtig ist, dass die Zählrichtungen bei P- und N-Kanal gleich sind, daher ergeben sich für den P-Kanal Mosfet negative Gate-Source und Source-Drain-Spannungen.
Ein MOSFET verhält sich bis zum Sättigungsbereich eher wie ein steuerbarer Widerstand und hat im voll durchgesteuerten Betrieb nur den Source-Drain Widerstand RDS_ON der den Stromfluss blockiert, im Gegensatz zum Bipolartransistor der immer einen gewissen Spannungsabfall hat.
Auch die Tatsache, dass das Gate isoliert ist und einem Kondensator entspricht sorgt für gewisse Vorteile gegenüber dem Bipolartransistor. So kann man mit Boost-Schaltungen oder Charge-Pumps das Potential des Gates 10V über das Potential von Source heben(für einen N-Kanal MOSFET), ohne das dafür eine extra Spannungsversorgung bereitstehen muss.

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