Transistoren: Aufbau, Funktion und Einsatzmöglichkeiten
Was ist ein Transistor?
Das ist ein vollwertiger Auszug aus dem Buch Elektronik und Heimautomation DIY.
Wenn man von einem Transistor spricht, ist in der Regel das aus Silizium bestehende Halbleiterbauelement gemeint, der sogenannte Bipolar Junction Transistor (BJT).
Der Bipolare Transistor bildet die Grundlage für die meisten elektronischen Geräte und ist das am häufigsten verwendete Bauelement in elektronischen Schaltungen. Seine beiden Hauptfunktionen sind das Schalten und das Verstärken von Signalen.
Ein Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten, die entweder in der Schichtfolge NPN oder PNP angeordnet sind. Er verfügt über drei Anschlüsse: Die äußeren Schichten werden als Kollektor (C) und Emitter (E) bezeichnet, während die mittlere Schicht die Basis (B) bildet.
Funktion von einem NPN Transistor
Ein NPN-Transistor besteht aus zwei n-leitenden Schichten, zwischen denen sich eine dünne p-leitende Schicht befindet. Ohne Stromfluss ist die p-Schicht positiv geladen, da sie zu wenig Elektronen enthält, während die beiden n-Schichten negativ geladen sind, da sie einen Elektronenüberschuss aufweisen. Direkt an den Übergängen von n- zu p-Schicht und von p- zu n-Schicht entsteht, ähnlich wie bei einer Diode, die sogenannte Sperrschicht.
Das Ersatzschaltbild eines Transistors kann durch zwei Dioden dargestellt werden. Allerdings ist es in der Praxis nicht möglich, einen Transistor allein mit zwei Dioden nachzubauen, da die Halbleiterschichten eines Transistors unterschiedlich stark dotiert sind. Der Emitter ist deutlich stärker dotiert als der Kollektor, und die Basis ist sehr dünn und schwach dotiert.
Wird zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung angelegt, kann aufgrund der Sperrschicht kein Strom fließen. Im Ersatzschaltbild wird dies durch zwei Dioden in Sperrrichtung dargestellt.
Wird eine Spannung zwischen Emitter und Basis angelegt, überflutet der stark dotierte Emitter die p-Schicht der Basis mit Elektronen. Einige dieser Elektronen rekombinieren mit den Löchern in der Basis, andere fließen über die Basis ab. Der Großteil der Elektronen gelangt jedoch in den Einflussbereich des Kollektors. Dadurch wird die Sperrschicht teilweise abgebaut, und ein Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor wird ermöglicht. Dieser Strom ist in der Regel deutlich größer als der Basisstrom.
Da der Transistor einen kleinen Eingangsstrom in einen viel größeren Ausgangsstrom umwandelt, wirkt er wie ein Verstärker. Gleichzeitig funktioniert er aber auch wie ein Schalter: Ohne Basisstrom fließt zwischen Kollektor und Emitter wenig bis gar kein Strom. Der Basisstrom steuert also das Ein- und Ausschalten des gesamten Transistors.
Funktion von einem PNP Transistor
Ein PNP-Transistor besteht aus zwei p-leitenden Schichten, zwischen denen sich eine dünne n-leitende Schicht befindet. Seine Funktionsweise lässt sich aus der des NPN-Transistors ableiten, wobei anstelle positiver Ladungsträger (Elektronen) negative Ladungsträger (Löcher) verwendet werden. Alle Spannungen und Ströme am Transistor sind entsprechend umgepolt.
Einfacher NPN Transistor Schaltkreis
Hier seht ihr eine Schaltung, die zeigt, wie ein 12-Volt-Relais mit einem Mikrocontroller und einem Transistor als Schalter verwendet werden kann.
Damit der Transistor als Schalter zuverlässig funktioniert, sollte er entweder vollständig „AUS“ (OFF) oder vollständig „EIN“ (ON) geschaltet werden. Da ein Transistor bei etwa 0,7 Volt an der Basis leitend wird, kann mit einem Vorwiderstand eine Spannung von etwa 3,8 Volt abfallen. So bleibt bei einer Eingangsspannung von 5 Volt (z. B. am D1) immer noch genügend Spannung übrig, um den Transistor sicher zu schalten.
Der 10 kΩ Widerstand dient als Pull-down-Widerstand, um sicherzustellen, dass die Basis des Transistors kein undefiniertes Potenzial hat, wenn kein Signal vom Mikrocontroller anliegt.
Da die Last in dieser Schaltung eine Spule ist, wird eine Freilaufdiode verwendet, um den Transistor vor Spannungs-Spitzen zu schützen, die beim Abschalten der Spule entstehen können.
Warum NPN-Transistoren häufiger verwendet werden?
In der Elektronik werden hauptsächlich NPN-Transistoren verwendet. Dafür gibt es zwei Hauptgründe:
Beweglichkeit der Ladungsträger:
NPN-Transistoren nutzen Elektronen als Mehrheitsträger, während PNP-Transistoren Löcher verwenden. Elektronen bewegen sich im Kristallgitter wesentlich schneller als Löcher. Dadurch arbeiten NPN-Transistoren effizienter und können ein deutlich höheres Leistungsniveau erreichen.Produktionskosten:
Die Herstellung von Halbleiterkomponenten auf Siliziumbasis ist am wirtschaftlichsten, wenn große Siliziumscheiben des Typs N verwendet werden. Zwar ist auch die Produktion von PNP-Transistoren möglich, sie erfordert jedoch eine etwa dreimal größere Fläche auf dem Wafer. Dies führt zu erheblich höheren Herstellungskosten, da die Waferkosten einen wesentlichen Teil der Gesamtkosten des Bauteils ausmachen.
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