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Transịstor

 

[englisch, Kurzwort aus transfer »Übertragung« und resistor »elektrischer Widerstand«, also »Übertragungswiderstand«] der, -s/...'toren, aktives elektronisches Bauelement, das aus einem Halbleiterkristall mit Zonen unterschiedlicher Störstellenleitung (Halbleiter) besteht und mindestens drei Elektroden besitzt. Das Ausgangsmaterial für Transistoren ist meist Silicium, für spezielle Anwendungen auch Germanium und Galliumarsenid. Aufgrund der Möglichkeit, den Stromfluss durch den Transistor von außen zu steuern, dient der Transistor in elektronischen Schaltungen u. a. als Verstärker, Schalter, Sensor. Transistoren lassen sich grundsätzlich in bipolare und unipolare Transistoren unterteilen, je nachdem, ob beide Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) oder nur eine Ladungsträgerart für ihre Funktion notwendig sind. Transistoren sind klein, leicht, zuverlässig und mechanisch robust, darüber hinaus billig herzustellen, langlebig und nur mit geringer Verlustleistung behaftet. Sie haben in Empfängerschaltungen mit kleiner Leistung (z. B. elektroakustische Geräte) die Elektronenröhren vollständig verdrängt.

 

Der wichtigste Vertreter der unipolaren Transistoren ist der Feldeffekttransistor, Abkürzung FET. Kennzeichnend für ihn ist, dass er im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren mit gleichgepolten p-n-Übergängen betrieben wird.

 

Der bipolare Transistor besteht im Prinzip aus drei aufeinander folgenden Schichten, die abwechselnd als p- und n-leitende Zonen ausgebildet sind. Die Schichtenfolge kann positiv-negativ-positiv sein (pnp-Transistor) oder negativ-positiv-negativ (npn-Transistor). Die äußeren Schichten werden als Kollektor (C) und Emitter (E) bezeichnet, die mittlere, wesentlich dünnere als Basis (B). Diese Kurzbezeichnung werden sowohl für die jeweiligen Zonen als auch für die zugehörigen Elektroden und Anschlüsse verwendet. Die Basiselektrode ist die Steuerelektrode des bipolaren Transistors. Zwischen Basis und Kollektor einerseits sowie Basis und Emitter andererseits besteht je ein p-n-Übergang. Der Emitter-Basis-Übergang wird in Durchlassrichtung, der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung gepolt. Dies gilt sowohl für pnp- als auch für npn-Transistoren; unterschiedlich ist dagegen die Polung der Speisespannungen. In der Emitterschaltung erhalten Basis und Kollektor beim pnp-Transistor negative Spannungswerte, beim npn-Transistor positive, bezogen jeweils auf den Emitter. Für den npn-Transistor in Emitterschaltung bedeutet dies, dass der Strom der Elektronen aus dem Emitter in die Basis vom positiven Basispotenzial bestimmt wird. Durch die dünne Basiszone (μm-Bereich) gelangen die Elektronen zum Kollektor und bilden dort den Transistorausgangsstrom. Die geringen Verluste an Ladungsträgern bestimmen den Basisstrom und damit den Transistoreingangsstrom. So ist eine über 500fache Stromverstärkung realisierbar (über 100fache Leistungsverstärkung bei niedrigen Frequenzen). Mit der Basisschaltung lässt sich Spannungsverstärkung erzielen. Die Kollektorschaltung wird wegen ihres hohen Eingangswiderstands als Impedanzwandler verwendet.

 

Bei der Verwendung als Schalter (Schalttransistor) wird der Transistor nur zwischen zwei Zuständen (Arbeitspunkten) gesteuert: In einem Arbeitspunkt ist die Kollektor-Emitter-Strecke hochohmig (dieser Zustand entspricht einem geöffneten Schalter), im anderen niederohmig (geschlossener Schalter). Gesteuert wird der Transistor durch einen Basisstrom oder durch die Basis-Emitter-Spannung. Dabei ist die gesättigte oder die ungesättigte Betriebsart (»Logik«) möglich, die jeweils anderes Schaltverhalten zeigen. Eine geringe Einschaltzeit erreicht man beim gesättigten Betrieb, im anderen Fall ist die Ausschaltzeit (Speicherzeit) besonders kurz.

 

Mit einem Transistor können umso höhere Frequenzen gesteuert werden (bis zu einigen GHz), je dünner die Basiszone ist, weil dann die Laufzeit der Ladungsträger in ihr kürzer ist. Die Bemühung um die Erzielung möglichst dünner Basiszonen führte zu verschiedenen Ausführungsformen des Flächentransistors (im Gegensatz zum Spitzentransistor). Beim Legierungstransistor, dem ältesten Flächentransistor, stellt die Basis den Grundkörper dar (n-leitendes Germanium), in den von zwei gegenüberliegenden Seiten Fremdstoffe zur Herstellung der Emitter- und Kollektorzonen einlegiert werden, und zwar durch Aufschmelzen von Indiumperlen. Die Legierungstiefe bestimmt die Dicke der Basiszone. Beim Diffusionstransistor oder Drifttransistor wird die Laufzeit durch Dotierung des Grundkörpers so verkürzt, dass die Dichte der Störstellen (unbesetzte oder mit Fremdatomen besetzte Kristallgitterstellen) vom Emitter zum Kollektor abnimmt, wodurch die Ladungsträger beschleunigt werden. Beim Mesatransistor, der aus dem Halbleiterkristall »tafelbergartig« herausgeätzt wird, und beim Planartransistor lässt sich eine weitere Verringerung der Basiszonendicke dadurch erreichen, dass der Grundkörper nicht als Basis, sondern als Kollektor dient, auf dem zuerst die Basisschicht und dann die Emitterschicht durch Eindiffundieren von Dotierungsstoffen erzeugt werden (Planartechnik). Für Anwendungen in der Leistungselektronik werden Transistoren für größere Leistungen als Einfachdiffusionstransistoren, doppelt diffundierte (Epibasistransistor) und dreifach diffundierte Transistoren ausgeführt. - Zu den Bipolartransistoren mit besonderen Eigenschaften gehört der Phototransistor, der sich - unter Ausnutzung des inneren Photoeffekts - durch Lichteinwirkung auf den Halbleiterkristall steuern lässt. In der Digitaltechnik werden häufig zum Aufbau logischer Verknüpfungsglieder in TTL-Technik Multiemittertransistoren verwendet. Spezielle Mikrowellentransistoren sind für den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen geeignet. Druckempfindliche Bauelemente, die z. B. als Sensoren eingesetzt werden können, sind Piezotransistoren.

 

Geschichte:

 

Der Transistor wurde auf der Grundlage der Quantenmechanik der Festkörper 1947/48 von J. Bardeen, W. H. Brattain und W. B. Shockley in den Bell Laboratories erfunden. Seither fand in enger Wechselwirkung und gegenseitiger Befruchtung von Halbleitertechnologie und Grundlagenforschung (v. a. Festkörperphysik und -chemie sowie Physik und Chemie dünner Schichten und der Oberflächen) eine ständige Weiterentwicklung statt, einerseits hin zu integrierten Schaltungen bis in den Bereich der Submikrometertechnik bei Bausteinen für Speicher und Mikroprozessoren, andererseits zu Bauelementen der Leistungselektronik (z. B. Thyristor). Transistoren und die aus ihnen abgeleiteten Bau- und Funktionselemente werden in der Elektronik und der Elektrotechnik überall eingesetzt, wo elektrische Signale oder Leistungen zu schalten, zu steuern oder zu regeln sind, im Bereich von etwa 1 μW bis etwa 1 MW und in so verschiedenartigen Geräten wie Quarzuhren, Herzschrittmachern, Fernsehempfängern, Hörgeräten, Computern und Elektrolokomotiven; viele solcher Geräte wären ohne Transistoren nicht oder nur erheblich weniger kompakt oder leistungsfähig möglich.

 

Literatur:

 

D. Nührmann: T.-Praxis. Berechnungen, Grundschaltungen, Applikationen (1986);

 D. Nührmann: Professionelle Halbleitertechnik in der Praxis (1995);

 A. Möschwitzer u. K. Lunze: Halbleiterelektronik (Neuausg. ⁸1988);

 J. C. J. van de Ven: T.-Hb. Mit SMD-Bauteilen (1988, dt. u. engl.);

 U. Tietze u. C. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik (¹⁰1993).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Verstärker von Spannung, Strom und Leistung

 

Transistor: Die Grundlage der Hightech

 

Transistor

 

[Abk. für Transfer Resistor, dt. »Übertragungswiderstand«] der, 1947 erfundenes Halbleiterbauelement (Halbleiter), das die Stärke durchgehender Ströme mithilfe relativ schwacher Steuerströme beeinflussen kann. Aufgrund seiner Eigenschaften lässt er sich sowohl als Schalter als auch als Verstärker benutzen.

 

Erst mit den Transistoren wurde die heutige Informations- und Kommunikationstechnik möglich. Sie lösten die unhandlichen, störanfälligen und viel Energie verbrauchenden Vakuumröhren ab. Transistoren sind klein, funktionieren zuverlässig, verbrauchen wenig Energie und können in großen Stückzahlen hergestellt werden. In modernen Chips sind mittlerweile oft Millionen von Transistoren bzw. Transistorfunktionen integriert.

 

Im Prinzip gleicht ein Transistor einer Triode, also einer Vakuumröhre mit drei Anschlüssen: zwei Anschlüsse nehmen den zu steuernden Strom auf, der dritte dient zur Steuerung. Wie bei einer Halbleiterdiode (Diode) beruht die Funktion des Transistors auf den besonderen Eigenschaften von Übergängen zwischen unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (Dotierung). Im einfachsten Fall wird eine p-dotierte Schicht von zwei n-dotierten umschlossen, an jeder der drei Schichten liegt ein elektrischer Kontakt. Dieser Aufbau wird auch n-p-n-Transistor genannt. Die p-dotierte Trennschicht heißt Basis, die beiden anderen Bereiche Kollektor und Emitter. Der Arbeitsstrom fließt dann vom Emitter zum Kollektor. Dies ist möglich, weil die dazwischenliegende Basis sehr dünn ist. Wenn an die Basis eine zusätzliche Spannung gelegt wird, fließt ein kleiner Teil des Arbeitsstroms über die Basis ab (kleiner Steuerstrom). Kleine Änderungen dieses Steuerstroms beeinflussen den Arbeitsstrom jedoch stark; dies ist der angesprochene Verstärkungseffekt.

 

Es gibt noch eine Reihe von weiteren, komplexeren Typen von Transistoren: p-n-p-Transistoren, Feldeffekttransistoren (FET, MOSFET) oder Dünnschichttransistoren (TFT). Außer in der Mikroelektronik werden sie auch häufig in der Hochfrequenztechnik und in der Leistungselektronik eingesetzt.