Wie funktioniert ein Transistor?

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das elektronische Signale verstärken oder schalten kann. Er ist eine entscheidende Erfindung auf dem Gebiet der Elektronik, wird aus Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium hergestellt und besteht aus einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor. Der Bipolartransistor (BJT) ist neben NPN- und PNP-Transistoren der gebräuchlichste Typ. Transistoren funktionieren, indem sie den Stromfluss zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen durch die an den Basisanschluss angelegte Spannung steuern. NPN-Transistoren verstärken kleine Eingangssignale, um größere Ausgangssignale zu erzeugen, wodurch sie als Verstärker fungieren können. Transistoren können auch als elektronische Schalter fungieren, indem sie eine Spannung an den Basisanschluss anlegen. Im eingeschalteten Zustand ermöglichen sie den Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor und fungieren als geschlossener Schalter. Im ausgeschalteten Zustand blockieren sie den Stromfluss und fungieren als offener Schalter. Diese Schaltfähigkeit ist in der digitalen Elektronik von entscheidender Bedeutung und bildet die Grundlage der in Computern und anderen digitalen Geräten verwendeten Binärlogik. Die Miniaturisierung und Integration mehrerer Transistoren auf einem einzigen Halbleiterchip hat zu leistungsfähigeren und kompakteren elektronischen Geräten geführt. Transistoren findet man in Computern, Smartphones, Fernsehern, Radios und vielen anderen elektronischen Systemen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Transistoren ein grundlegender Bestandteil moderner Elektronik sind, da sie die Verstärkung und Schaltung elektronischer Signale ermöglichen und die Entwicklung leistungsfähigerer und kompakterer elektronischer Geräte vorantreiben.  

Transistortypen

Es gibt mehrere Transistortypen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen. Bipolartransistoren (BJTs) und Feldeffekttransistoren (FETs) sind die gängigsten Typen. BJTs bestehen aus drei Schichten Halbleitermaterial und es gibt zwei Typen: NPN und PNP. Ein kleiner Strom fließt in den Basisanschluss eines NPN-Transistors, der einen größeren Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor steuert. In einem PNP-Transistor fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung. BJTs können als Verstärker oder Schalter verwendet werden und werden häufig in Audio- und Hochfrequenzanwendungen eingesetzt.

NPN-Transistor

Ein NPN-Transistor ist eine Art Bipolartransistor (BJT), der drei Schichten Halbleitermaterial aufweist. Der NPN-Transistor besteht aus einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor, wobei eine Schicht aus p-Typ-Halbleitermaterial zwischen zwei Schichten aus n-Typ-Halbleitermaterial eingebettet ist.

Abbildung 1 NPN-Transistor NPN-Transistoren verstärken kleine Eingangssignale, um größere Ausgangssignale zu erzeugen, wenn ein kleiner Strom in den Basisanschluss fließt. Sie können auch als elektronische Schalter verwendet werden, indem eine Spannung an den Basisanschluss angelegt wird. Im eingeschalteten Zustand ermöglichen sie den Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor und fungieren als geschlossener Schalter. Im ausgeschalteten Zustand blockieren sie den Stromfluss. NPN-Transistoren werden häufig in elektronischen Schaltkreisen wie Verstärkern, Oszillatoren und digitalen Logikschaltkreisen verwendet. Aufgrund ihrer hohen Verstärkung und geringen Rauscheigenschaften werden sie häufig in Audio- und Hochfrequenzanwendungen eingesetzt.

PNP-Transistor

Ein PNP-Transistor ist ein Bipolartransistor (BJT), der aus drei Schichten Halbleitermaterial besteht. Die Emitter-, Basis- und Kollektorschichten sind zwischen einer Schicht aus n-Typ-Halbleitermaterial und zwei Schichten aus p-Typ-Halbleitermaterial angeordnet.

Abbildung 2 PNP-Transistor PNP-Transistoren verstärken kleine Eingangssignale, um größere Ausgangssignale zu erzeugen, wenn ein kleiner Strom aus dem Basisanschluss fließt. Sie können auch als elektronische Schalter verwendet werden, indem eine Spannung an den Basisanschluss angelegt wird. Sie blockieren den Stromfluss zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen, wenn sie ausgeschaltet sind, während sie eingeschaltet sind und den Stromfluss zulassen und als geschlossener Schalter fungieren. PNP-Transistoren werden häufig in elektronischen Schaltungen wie Audioverstärkern, Leistungsreglern und Schaltkreisen verwendet. Aufgrund ihrer hohen Strombelastbarkeit und geringen Leistungsaufnahme sind sie in Automobil- und Industrieanwendungen beliebt. FETs bestehen aus einem Kanal aus Halbleitermaterial und es gibt zwei Typen: Junction-FETs (JFETs) und Metall-Oxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs). JFETs haben eine einfache Struktur und funktionieren, indem sie die Breite des Kanals durch die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung steuern. MOSFETs haben eine komplexere Struktur und funktionieren, indem sie den Elektronenfluss durch die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung steuern. MOSFETs werden häufig in digitalen Schaltungen verwendet, da sie weniger Strom verbrauchen und eine höhere Eingangsimpedanz als BJTs haben. Sie können auch als Verstärker verwendet werden, aber ihre Verstärkung ist geringer als die von BJTs. JFETs werden in rauscharmen Anwendungen verwendet, beispielsweise als Verstärker für Audiosignale. Ein anderer Transistortyp ist der Darlington-Transistor, der aus zwei in Reihe geschalteten BJTs besteht. Diese Konfiguration bietet eine hohe Stromverstärkung und wird häufig in Hochleistungsanwendungen verwendet. Es gibt auch spezielle Transistoren, wie z. B. Fototransistoren, die lichtempfindlich sind und in Lichtsensoren verwendet werden, und Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs), die eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisen und in Hochfrequenzanwendungen verwendet werden. Wie ich oben erwähnt habe, gibt es mehrere Arten von Transistoren mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen. BJTs und FETs sind die gängigsten Typen, wobei JFETs und MOSFETs häufig in digitalen Schaltkreisen verwendet werden. Darlington-Transistoren bieten eine hohe Stromverstärkung, während spezielle Transistoren wie Fototransistoren und HEMTs spezielle Anwendungen haben.

NPN Transistor VS PNP Transistor

NPN- (Negativ-Positiv-Negativ) und PNP- (Positiv-Negativ-Positiv) Transistoren sind zwei Arten von Bipolartransistoren (BJTs), die in elektronischen Schaltkreisen weit verbreitet sind. Sie haben ähnliche Strukturen, unterscheiden sich jedoch in der Anordnung und Polarität ihrer Halbleiterschichten.

Vergleichsgrundlage	NPN-Transistor	PNP-Transistor
Definition	Der Transistor, bei dem zwei n-Typ-Schichten durch eine p-Typ-Schicht getrennt sind.	Zwei Blöcke von p-Typ-Halbleitern sind durch einen dünnen Block von n-Typ-Halbleitern getrennt.
Voll Form	Negativ Positiv und Negativ	Positiv Negativ und Positiv
Stromrichtung	Kollektor zu Emitter	Emitter zu Kollektor
Einschalten	Wenn Elektronen in die Basis eindringen.	Wenn Löcher in die Basis eindringen.
Innenstrom	Entsteht aufgrund der unterschiedlichen Positionen der Elektronen.	Entsteht aufgrund der unterschiedlichen Position der Löcher.
Außen Strom	Die Stromentwicklung ist auf den Fluss von Löchern zurückzuführen.	Ströme entstehen durch den Fluss von Elektronen.
Mehrheitsladungsträger	Elektron	Loch
Schaltzeit	Schneller	Langsamer
Minderheitsladungsträger	Loch	Elektron
Positive Spannung	Kollektoranschluss	Emitteranschluss
Vorwärts vorgespannt	Emitter-Basis-Verbindung	Emitter-Basis-Verbindung
Rückwärts vorgespannt	Kollektor-Basis-Verbindung	Kollektor-Basis-Verbindung
Kleiner Strom	Fließt von Emitter zu Basis	Basis zu Emitter
Massesignal	Niedrig	Hoch

 

Wie funktionieren Transistoren?

  Transistoren sind elektronische Geräte, die den Stromfluss basierend auf den Prinzipien von Halbleitern steuern. Der gebräuchlichste Typ, der Bipolartransistor (BJT), besteht aus drei Schichten Halbleitermaterial: Emitter, Basis und Kollektor. In einem NPN-Transistor fließt ein kleiner Strom in den Basisanschluss und steuert einen größeren Strom zwischen Emitter und Kollektor. Das Verhalten hängt von den Eigenschaften des Halbleitermaterials ab. Durch Anlegen einer Spannung an die Basis-Emitter-Verbindung werden Elektronen in die Basis injiziert, was die Leitfähigkeit beeinflusst und einen Stromfluss vom Emitter zum Kollektor ermöglicht. Diese Eigenschaft ermöglicht es Transistoren, als Verstärker zu fungieren und schwache Eingangssignale zu verstärken, um größere Ausgangssignale zu erzeugen. Transistoren können auch als Schalter fungieren, wobei ein kleiner Steuerstrom den Transistor „ein“ oder „aus“ schaltet und den Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor zulässt oder blockiert. Feldeffekttransistoren (FETs), ein weiterer gängiger Typ, steuern den Stromfluss durch einen Halbleiterkanal, indem sie ein elektrisches Feld modulieren. FETs verwenden einen Gate-Anschluss, um den Stromfluss im Kanal zu regulieren, und dienen Zwecken in digitalen Schaltkreisen. Transistoren revolutionierten die Elektronik, indem sie Miniaturisierung, Verstärkung und Schaltfunktionen ermöglichten und die Grundlage der modernen Technologie bildeten.  

Wie viele Transistoren hat eine CPU?

Die Anzahl der Transistoren in einer CPU (Central Processing Unit) kann je nach Modell und Generation variieren. Moderne CPUs sind hochkomplex und dicht mit Transistoren bestückt. Bis September 2021 können High-End-CPUs für Verbrauchercomputer zig Milliarden Transistoren enthalten. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Anzahl der Transistoren mit den Fortschritten in der Halbleitertechnologie weiter zunimmt, sodass sich die Zahlen seitdem möglicherweise erheblich geändert haben.  

Abbildung 3 Transistor

Wiekannein Transistorals Verstärkerverwendetwerden?

Transistoren werden als Verstärker verwendet, indem ihre Fähigkeit zur Regulierung des Stromflusses ausgenutzt wird. Insbesondere Bipolartransistoren (BJTs) werden häufig zu Verstärkungszwecken eingesetzt. In einer Verstärkungsschaltung wird ein kleines Eingangssignal an den Basisanschluss des Transistors geleitet. Dieses Eingangssignal moduliert den Basisstrom, der durch den Transistor fließt. Folglich führen die Eigenschaften des Transistors dazu, dass ein deutlich größerer Ausgangsstrom durch den Kollektoranschluss fließt. Der Verstärkungsprozess läuft in drei Phasen ab: der Eingangsphase, der Verstärkungsphase und der Ausgangsphase. Während der Eingangsphase wird das kleine Eingangssignal an den Basis-Emitter-Übergang angelegt, der in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Dadurch kann ein kleiner Strom durch den Basisanschluss fließen. In der Verstärkungsphase bestimmt der Eingangsstrom die Leitfähigkeit des Transistors und beeinflusst so den Fluss des verstärkten Ausgangsstroms. Die Stromverstärkung des Transistors vergrößert das Eingangssignal und erzeugt ein größeres Signal am Kollektoranschluss. Schließlich wird das verstärkte Signal in der Ausgangsstufe an die Last oder nachfolgende Schaltkreise gekoppelt, um externe Geräte wie Lautsprecher oder Antennen anzutreiben. Durch Anpassen der Vorspannung und des Eingangssignalpegels können Transistoren eine Verstärkung für eine breite Palette von Anwendungen bereitstellen, darunter Audioverstärker, Hochfrequenzverstärker und Operationsverstärker (Op-Amps). Die Fähigkeit, kleine Eingangssignale zu manipulieren und größere Ausgangssignale zu erzeugen, macht Transistoren zu einem vielseitigen Werkzeug zur Signalverstärkung in verschiedenen elektronischen Systemen.  

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Transistor ein entscheidendes elektronisches Bauteil ist, das funktioniert, indem es den Fluss der Ladungsträger durch seine drei Schichten steuert. Man kann sie in verschiedene Typen einteilen, wie Bipolartransistoren (BJTs) oder Feldeffekttransistoren (FETs), von denen jeder sein eigenes Funktionsprinzip hat. Durch Manipulation der Spannung oder des Stroms, die an die Basis oder den Gate-Anschluss des Transistors angelegt werden, können schwache elektrische Signale verstärkt werden. Transistoren funktionieren als Verstärker, indem sie ein kleines Eingangssignal aufnehmen und dessen Leistung und Amplitude auf ein Niveau erhöhen, das zum Antreiben einer Last geeignet ist. Diese Verstärkung wird erreicht, indem ein größerer Strom oder eine größere Spannung im Ausgangskreis gesteuert wird, die proportional zum Eingangssignal ist. Verstärker auf Transistorbasis werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Audiosysteme, Telekommunikation und Signalverarbeitung. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung, -verarbeitung und dem Informationsaustausch und ermöglichen eine effiziente und zuverlässige Kommunikation zwischen einer Vielzahl elektronischer Geräte. Die Fähigkeit des Transistors, Signale zu verstärken, hat die Technologie revolutioniert und die moderne Welt, in der wir leben, geprägt.