Transistor einfach erklärt: Schalter und Verstärker

Ein Transistor hat einen Steueranschluss und einen Laststromweg. Eine kleinere Steuergröße beeinflusst, wie gut der Laststrom fließen kann. Im Schalterbetrieb sperrt der Transistor oder leitet; beim Verstärken bewirken kleine Änderungen der Steuergröße größere Änderungen im Ausgangsstrom.

Ein Bipolartransistor (BJT) hat Emitter, Basis und Kollektor. Sein Basisstrom steuert den Kollektorstrom; es gibt npn- und pnp-Schichtfolgen. Ein Feldeffekttransistor (FET) hat Source, Gate und Drain. Die Gate-Spannung beeinflusst den Kanalstrom; der Kanal kann n- oder p-dotiert sein.

Ein npn-Transistor besitzt eine n-dotierte Emitterschicht, eine sehr dünne p-dotierte Basis und eine n-dotierte Kollektorschicht. Dazwischen liegen zwei pn-Übergänge. Ohne passende Basisansteuerung sperrt der Laststromweg weitgehend.

Ist die Basis gegenüber dem Emitter genügend positiv, leitet der Basis-Emitter-Übergang. Elektronen gelangen vom Emitter in die dünne Basis. Nur ein kleiner Teil erreicht den Basisanschluss oder rekombiniert. Der größte Teil durchquert die Basis; das Feld am Kollektor zieht die Elektronen weiter. So kann der Kollektorstrom deutlich größer als der Basisstrom sein.

Bei einfachen Siliciumschaltungen wird der Basis-Emitter-Übergang ungefähr bei 0{,}7\,\mathrm{V} leitend. Das ist keine exakte Schaltgrenze; Bauteil und Betriebszustand zählen. Elektronen bewegen sich im Modell vom Emitter zum Kollektor, technische Strompfeile zeigen in die entgegengesetzte Richtung.

In einer einfachen npn-Schaltung liegt die LED im Kollektor-Emitter-Kreis. Ohne passende Basisansteuerung ist dieser Laststromweg hochohmig und die LED bleibt dunkel. Wird die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter und fließt Basisstrom, kann der Laststrom durch die LED fließen.

Der Basisvorwiderstand begrenzt den Steuerstrom. Ein eigener Widerstand im Lastkreis begrenzt den LED-Strom. Der Transistor erzeugt keine Energie für die LED; die Spannungsquelle versorgt den Lastkreis. Das Funktionsschema lautet: Basisansteuerung beeinflusst Transistorzustand, dann LED-Strom und Leuchtzustand.

Beim Verstärken arbeitet ein BJT in einem Zwischenbereich: Kleine Änderungen des Basisstroms erzeugen größere Änderungen des Kollektorstroms. Für einen betrachteten Arbeitspunkt, den Betriebszustand aus Spannungen und Strömen, gilt näherungsweise:

B=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}

Dabei ist B die Stromverstärkung und \Delta bezeichnet eine Änderung. Der Faktor hängt von Bauteil und Arbeitspunkt ab. Grenzwerte im Datenblatt begrenzen Kollektorstrom I_{C,\mathrm{max}}, Kollektor-Emitter-Spannung U_{CE,\mathrm{max}} und Verlustleistung P_V.

Ein FET wird dagegen hauptsächlich durch die Gate-Spannung gesteuert. Beim n-Kanal-JFET ist der Kanal bei einer Gate-Source-Spannung von null zunächst leitfähig. Eine gegenüber Source negativere Gate-Spannung verbreitert die Sperrschichten: Der Kanal wird enger und der Drain-Source-Strom kleiner. Bei genügend negativer Gate-Source-Spannung wird er blockiert. Ein zusammengedrückter Schlauch veranschaulicht nur die Verengung, nicht die Ladungsbewegung.

Auch ein MOSFET hat Gate, Drain und Source. Seine Gate-Struktur umfasst Metall, eine isolierende Oxidschicht und Halbleitermaterial. Je nach Kanal unterscheidet man unter anderem NMOS und PMOS.