Transistoren gehören zur der wichtigen Gruppe aktiver elektrischer Bauelemente. Sie sind Bestandteil in vielen hoch komplex aufgebauten elektronischen Schaltungen. Sie ermöglichen die Realisierung von Hochleistungscomputern und komplexer Elektronik.
Die grundlegende Funktionalität eines Transistors ist mit den eines Relais vergleichbar, wenn dieser als elektronischer Schalter fungieren soll. Transistoren besitzen aber noch weitere Funktionalitäten. Sie können platzsparender eingesetzt und ohne zusätzlicher mechanischer Elemente funktionieren. Dies erhöht deren Lebensdauer und mindert aufkommenden Wartungsaufwand. Transistoren können sehr klein sein. Der unten abgebildete moderne Prozessor benötigt einen Platzbedarf von 3,8cm*3,8cm. Diese Fläche beinhaltet zum Beispiel ca. 3 Milliarden Transistoren (3000000000).
Gängige Transistoren sind allerdings wesendlich größer.
Die folgende Abbildung visualisiert übliche Transistoren. Sie unterscheiden sich in Größe und Bauform und werden in herkömmlichen Schaltungen eingesetzt.
Es existieren viele verschiedene Transistorarten auf dem Markt . In diesem Kapitel werden jedoch nur Bipolartransistoren und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren vorgestellt.
Bipolartransistor (BJT)
BJTs (englisch für bipolar junction transistor) sind eine sehr weit verbreitete Art von Transistoren, die vorallem zum Schalten von kleinen Leistungen und in der Mikroelektronik verwendet werden. Im folgenden ist ein BJT vom Typ S8050 dargestellt.
BJTs können genau wie Relais als elektrische Schalter dienen, haben aber im Gegensatz zu Relais nur drei Zugangskontakte. Die Kontakte besitzen außerdem Dioden – Eigenschaften.
Diese Kontakte sind mit Kollektor (Abkürzung C), Emitter (Abkürzung E) und Basis (Abkürzung B) bezeichnet. Die folgende Abbildung visualisiert Transistoren verschiedener Hersteller und Bauart. Die Kontaktbelegungen können dabei voneinander abweichen.
Der Kollektor und der Emitter bilden dabei den Laststromkreis. Bezüglich des Relay gibt es aber einen baulichen Unterschied. Im Transistorinneren ist eine Diode verbaut, die die Stromflussrichtung steuern kann. Hier existiert bezugnehmend zur Diode ebenfalls eine Sperrrichtung, die einen Stromfluss blockieren kann. Die untere Abbildung soll diesen Sachverhalt verdeutlichen. Das Schaltsymbol des BJT beinhaltet eine Pfeilrichtung, die letztendlich die Flussrichtung des Kondensatorstromes markiert.
Die Abbildung visualisiert die Schaltsymbole eines NPN-Typ BJT und eines PNP-Typ BJT. Hier zeigen die Pfeilrichtungen des NPN-Typs zum Emitter hin und des PNP-Typs vom Emitter weg. Der Transistortyp wird also hier durch die Flussrichtung des Stromes bestimmt.
Beim NPN-Typ fließt der Strom vom Kollektor zum Emitter. Beim PNP-Typ fließt der Strom vom Emitter zum Kollektor. Der Stromfluss des Kondensators muss wie beim Relais aktiviert werden. Beim Relais passiert dies durch den aktiven Stromfluss des Steuerkreis. Beim Transistor ist dieser Vorgang im Prinzip identisch. Der Transistor besitzt allerdings nur 3 Kontakte von denen zwei schon durch den Laststromkreis belegt sind. Wie könnte der Steuerstromkreis geschlossen werden? Das Steuersignal wird über die Basis und den Emitter geschlossen. Eine interne verbaute Diode zwischen Basis und Emitter ermöglicht diese Funktionalität. Der Emitter ist also Bestandteil zweier Stromkreise.
Der NPN-Transistor öffnet den Kollektor-Emitter Pfad, wenn ein Strom von der Basis zum Emitter fließt, also ein positives Potenzial an der Basis und ein negatives Potenzial am Emitter anliegen. Der PNP-Transistor öffnet den Emitter-Kollektor Pfad, wenn ein Strom vom Emitter zur Basis fließt, also ein positives Potenzial an dem Emitter und ein negatives Potenzial an der Basis anliegen. In die entsprechend andere Richtung sperren die Transistoren.
Anders als beim Relais ist ein BJT jedoch kein stromgesteuerter Schalter. Der Transistor ist ein Stromverstärker. Fließt ein kleiner Strom von 1mA von Basis zum Emitter (NPN-Typ), so kann ein Vielfaches von diesem Steuerstrom durch den Kollektor-Emitter Pfad fließen. Die Größe des Vielfachen wird dabei durch den Verstärkungsfaktor des Transistors bestimmt. Gängige Verstärkungsfaktoren liegen meist zwischen 10 und 250. Besitzt ein NPN-Transistor also einen Verstärkungsfaktor von 100, so könnte über der Kollektor-Emitter Leitung ein Strom von 100mA fließen, wenn über der Basis – Emitter-Leitung ein Strom von 1mA anliegt.
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)
MOSFETs werden im Gegensatz zu BJTs jedoch auch häufig zum Schalten von großen Leistungen eingesetzt. In Gegensatz zu BJTs und Relais können sie leistungslos steuern. MOSFETs und BJTs können in der gleichen Bauteilform vorkommen. Die folgende Abbildung visualisiert MOSFETs unterschiedlicher Bauart.
Der MOSFET kann genau wie ein BJT und ein Relais als elektrischer Schalter verwendet werden. Das besondere beim MOSFET ist, dass er im Gegensatz zum BJT im Gleichstromkreis keine Leistung benötigt, um aktiviert zu werden. Auch der MOSFET hat nur drei Kontakte, die mit Source (S), Gate (G) und Drain (D) bezeichnet werden.
Im Vergleich zum BJT übernimmt das Gate die Funktion der Basis. Das Gate dient also als Ansteuerungpunkt für den MOSFET. Source und Drain bilden entsprechend Emitter und Kollektor den Laststromkreis.
Beim N-Kanal MOSFET fließt der Strom von Drain zu Source und beim P-Kanal MOSFET fließt der Strom von Source zu Drain.
Wie schon erwähnt kann der MOSFET in Gleichstromschaltungen als leistungsloser Schalter eingesetzt werden. Der BJT benötigt allerdings dabei einen Stromfluss durch die Basis, wobei der MOSFET nur ein Spannungspotential am Gate aufweisen muss. Ein Stromfluss durch das Gate wird unterbunden , weil es keine elektrische Verbindung zwischen Source und Drain gibt. Beim BJT besteht dabei eine Verbindung zwischen Kollektor und Emitter. Die folgende Abbildung soll diesen Sachverhalt nochmal verdeutlichen. Es existiert keine elektrische Verbindung zwischen dem Gate und dem Source – Anschluss.
Ein MOSFET kann als spannungsgesteuerter Widerstand verstanden werden.
Im Falle eines N-Kanal MOSFET liegt zwischen Drain und Source ein sehr großer Widerstand an, wenn am Gate ein Potenzial anliegt, das kleiner oder gleich dem Potenzial am Source-Kontakt ist. Je größer die Spannung zwischen Gate und Source wird, desto geringer wird der Widerstand zwischen Drain und Source. Allerdings gibt es bezüglich anderen elektrischen Bauteilen auch beim MOSFET eine Maximalspannung, die nicht überschritten werden darf, da das Bauteil andernfalls zerstört werden würde.
Im Falle eines P-Kanal MOSFET liegt zwischen Source und Drain ein sehr großer Widerstand an, wenn am Gate ein Potenzial anliegt, das größer oder gleich dem Potenzial am Source Kontakt ist. Je kleiner (je größer negativ) die Spannung zwischen Gate und Source wird, desto geringer wird der Widerstand zwischen Source und Drain. Natürlich darf auch beim P-Kanal MOSFET die Maximalspannung nicht überschritten werden.
