Transistoren: Verstärker in elektrischen Schaltungen

In vielen elektrischen Schaltungen werden Transistoren verwendet. Sie werden praktisch als Schalter eingesetzt und können z.B. einen Laststromkreis in Durchlass schalten. Der Unterschied zu normalen Schaltern ist, dass das Schalten nicht mechanisch geschieht, sondern mit elektrischem Strom. Die hierfür notwendige Spannung liegt im niedrigen Voltbereich (0,7 Volt) und wird Schwellspannung genannt. Dadurch, dass man mit einer vergleichsweise niedrigen Schwellspannung einen großen Laststrom in Durchlass schalten kann, werden Transistoren auch als Verstärker betrachtet. Vergleicht man den elektrischen Strom mit einem Wasserkreislauf, so kann ein Transistor mit einem Schleusensystem verglichen werden, das beim Öffnen einer kleinen Schleuse gleichzeitig die Schleuse eines wesentlich größeren Wasserkanals öffnet. Nachfolgend ist das Prinzip eines Transistors abgebildet.

Wie beim dargestellten Schleusensystem benötigen Transistoren 3 Anschlüsse. Diese werden wie folgt benannt:

• Basis: Kurzzeichen B. Dient als Eingang für den Steuerstrom
• Collector: Kurzzeichen C. Dient als Eingang für den Laststrom
• Emitter: Kurzzeichen E. Dient als Ausgang für Steuer- und Laststrom

In den Schaltzeichen für Transistoren werden die drei Anschlüsse dargestellt. Nachfolgend sind die Schaltzeichen für Standardtransistoren abgebildet. Dabei wird zwischen NPN-Transistoren und PNP-Transistoren unterschieden.

Transistoren werden aus dotierten Halbleitern erstellt. Bei Halbleitern hängt die elektrische Leitfähigkeit von Zustand ab. Durch Licht oder Wärme können sich Bindungselektronen lösen und das Material elektrisch leitfähig werden lassen. Da die Anzahl der durch Licht oder Wärme freigewordenen Elektronen gering ist, ist die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls gering. Durch Dotierung von Halbleitern kann die elektrische Leitfähigkeit erheblich gesteigert werden. Es wird dabei zwischen n-Dotierung (Elektronenüberschuss) und p-Dotierung (Löcherüberschuss bzw. Elektronenmangel) unterschieden.

Verbindet man einen n-dotierten mit einem p-dotierten Halbleiter, erhält man eine Diode. In der Diode, insbesondere in der Grenzregion zwischen der n-Schicht und der p-Schicht laufen verschiedene Vorgänge ab, die pn-Übergang genannt werden. Ohne elektrische Spannung baut sich in der Grenzregion eine Sperrschicht. Setzt man die Diode unter elektrische Spannung, schließt das Minuspol an die n-Schicht und das Pluspol an die p-Schicht, ist die Diode in Durchlasspolung geschaltet und lässt den elektrischen Strom durch. Bei einer Umpolung (Pluspol an n-Schicht, Minuspol an p-Schicht) ist die Diode in Sperrpolung geschaltet und lässt den elektrischen Strom nicht durch.

Die pn-Verbindung lässt sich zu npn- oder pnp-Verbindung erweitern und man erhält auf diese Art einen bipolaren Transistor. Die mittlere Schicht ist dabei sehr dünn. Es ist ca. 1 µm (1 Millionstel Meter = 0,001mm) breit und ist anders dotiert als die obere und untere Schicht, die zudem breiter sind als die mittlere Schicht. Ist die mittlere Schicht n-dotiert, sind die äußeren Schichten p-dotiert und umgekehrt. Man kann sich einen Transistor auch als zwei Dioden vorstellen, die in entgegengesetzte Richtung zusammengefügt wurden. Zwei Dioden können jedoch nicht als Ersatz für einen Transistor verwendet werden, da die mittlere Schicht sehr dünn sein muss und das bei Dioden nicht gegeben ist.

Beim N-Schicht gibt es einen Überschuss an Elektronen und beim P-Schicht einen Überschuss an Löchern. Verbindet man die Halbleiter zu einem NPN- oder PNP-Transistor, entstehen an den Grenzregionen durch Rekombination sogenannte Sperrschichten.

NPN-Transistor unter elektrischer Spannung:

Beim NPN-Transistor verbindet man den Collector mit dem Pluspol und den Emitter mit dem Minuspol. In dem Zustand wird die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter aufgehoben, dafür vergrößert sich die Sperrschicht zwischen Basis und Collector und der Transistor sperrt den Stromfluss. Erst wenn zusätzlich die Basis an das Pluspol angeschlossen wird und die elektrische Spannung an der Basis über der Schwellspannung liegt, wird die Sperrschicht zwischen Basis und Collector aufgehoben und die Elektronen des großen Laststroms können zum Emitter fließen. Gleichzeitig fließt ein kleiner Elektronenstrom vom Emitter zur Basis.

PNP-Transistor unter elektrischer Spannung:

Beim PNP-Transistor verhält es sich ähnlich, nur der Stromfluss wird dabei umgekehrt. Der Collector wird an das Minuspol und der Emitter an das Pluspol angeschlossen. Die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter wird aufgehoben, die Sperrschicht zwischen Basis und Collector vergrößert sich und der Transistor sperrt den elektrischen Strom. Wird zusätzlich die Basis mit einer Mindestspannung in Höhe der Schwellspannung an das Minuspol angeschlossen, fließen die Elektronen des Laststroms vom Collector zum Emitter. Gleichzeitig fließt ein kleiner Elektronenstrom von der Basis zum Emitter.