Klein, aber oho!

Was ist ein Transistor?

| Autor: Otto Geißler

Integrierte Schaltungen (IC) bestehen aus einer großen Anzahl an Transistoren, die mit Schaltkreisen verbunden sind und sich auf einem einzigen Mikrochip befinden.
Integrierte Schaltungen (IC) bestehen aus einer großen Anzahl an Transistoren, die mit Schaltkreisen verbunden sind und sich auf einem einzigen Mikrochip befinden. (Bild: © djama - stock.adob.com)

Ein Transistor, ein Kofferwort aus transfer für „Übertragung“ und resistor für „elektrischer Widerstand“, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement, das Strom steuern, schalten oder verstärken kann. Er gehört zu den wichtigsten aktiven Bauteilen in elektronischen Schaltungen von Computersystemen.

Der Transistor wurde bereits 1947 entwickelt und ersetzte dann in der Folge die Vakuumröhre als Regler für elektronische Signale. Ein Transistor steuert den Strom- beziehungsweise Spannungsfluss und arbeitet wie ein Schalter oder Gate. Transistoren teilen sich in drei Halbleiterschichten auf, wobei ein Halbleiter zum Beispiel aus Germanium oder Silizium bestehen kann, der den Strom nur unter bestimmten Umständen leitet.

Wie funktioniert ein Transistor?

Das Halbleitermaterial eines Transistors weist Eigenschaften auf, die es durch den chemischen Prozess der so genannten Dotierung bezieht. Bei einer Dotierung werden beim Herstellungsprozess Fremdatome in eine Schicht des hochreinen Halbleitermaterials eingebracht, um die Kristallstruktur zu verändern.

Dadurch kreiert eine Dotierung ein Material, das entweder in der Lage ist, zusätzliche Elektronen hinzuzufügen oder Löcher in der Kristallstruktur zu erzeugen. Die erste Dotierung wird wegen den überwiegenden negativen Ladeteilchen N-Typ oder n-leitend und die andere Dotierung durch die überwiegend positiven Ladeteilchen P-Typ oder p-leitend bezeichnet.

Ein Transistor verfügt im Prinzip über drei Anschlüsse. Zwei davon sind Ein- und Ausgangselektroden des Signals und einer dient zur Beeinflussung des Signals. Bei einem bipolaren Transistor trennt zum Beispiel eine rund 0,01 mm dünne p-dotierte Schicht zwei n-dotierte Bereiche. Diese Trennschicht nennt sich Basis (B), die beiden anderen Bereiche werden Emitter (E) und Kollektor (C) bezeichnet. Das heißt: Die drei Schichten eines Transistors können also eine pnp- oder npn-Konfiguration einnehmen.

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Kleine Änderungen beim Strom oder bei der Spannung an der inneren Halbleiterschicht, die als kontrollierende Elektrode fungiert, erzeugen schnelle und große Veränderungen bei dem durchfließenden Strom. Auf diese Weise arbeitet die Komponente als Schalter. Elektronische „Gates“ lassen sich so sehr häufig pro Sekunde öffnen und schließen. Bei der CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kommen zwei ergänzende Transistoren pro „Gate“ zum Einsatz. Eines ist mit einem N-Typ-Material und das andere mit einem P-Typ-Material ausgestattet.

Verschiedene Typen von Transistoren

Im Wesentlichen unterteilen sich Transistoren durch die Art der Ansteuerung in die Gruppe der bipolaren Transistoren und der Feldeffekt-Transistoren (FET). Bipolare Transistoren zeichnen sich für den Ladungstransport sowohl durch bewegliche negative Ladungsträger (Elektronen) als auch positive Ladungsträger (Defektelektronen) aus.

Defektelektronen oder auch Löcher sind unbesetzte Zustände, die sich durch Generation und Rekombination von Elektronen im Halbleitermaterial bewegen. Zu den bipolaren Transistoren zählen der IGBT, HJBT sowie der BJT als wichtigster Vertreter.

Feldeffekt-Transistoren (unipolare Transistoren) werden durch eine Spannung gesteuert und charakterisieren sich durch ihren sehr hohen Eingangswiderstand im statischen Betrieb und die daraus resultierende quasi leistungslose Ansteuerung. Die drei Anschlüsse heißen Gate (Steueranschluss), Drain und Source. Ein MOSFET (Metalloxidschicht) ist durch weitere Anschlüsse wie Bulk beziehungsweise Body gekennzeichnet, der in der Regel mit dem Source-Anschluss verbunden wird.

Der Widerstand beziehungsweise der Strom des Drain-Source-Kanals wird durch die Spannung zwischen Gate und Source und das dadurch entstehende elektrische Feld gesteuert. Im statischen Zustand ist diese Steuerung quasi stromlos. Was den gesteuerten Strom in der Drain-Source-Verbindung angeht, so kann dieser im Vergleich zum Kollektorstrom von bipolaren Transistoren in beide Richtungen fließen.

Die Gruppe der Feldeffekt-Transistoren bestehen aus den sogenannten JFET (Sperrschicht-FET) und den FET-Transistoren. Letztere bestehen wiederum aus einem Gate (MISFET, MOSFET). Feldeffekt-Transistoren werden ferner - je nach Dotierung des Halbleiters - zwischen n- und p-FET-Transistoren unterschieden. Wobei die MOSFET-Transistoren sich weiter in selbstleitende und selbstsperrende Typen aufteilen.

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