Bild 2a: npn-Transistor | Bild 2b: pnp-Transistor |
Mit dem Buchstaben B kennzeichnet man die Basis, mit C den Kollektor (engl. Collector) und mit E den Emitter. Jeweils 2 Anschlüsse zueinander bilden hierbei eine Diode, die in einer Richtung leitet und in der anderen sperrt. Sinn eines Transistors ist jedoch nicht, irgendwelche Ströme gleichzurichten. Er soll vielmehr als stromverstärkendes Bauelement wirken, wobei die Basis als Steueranschluß dient. Ein kleiner Strom, der bei einem npn-Transistor in den Basisanschluß hineinfließt, soll dazu dienen, den Stromfluß zwischen Kollektor und Emitter zu steuern. Die Funktionsweise sei nachfolgend anhand eines npn-Transistors erklärt. Ein pnp-Transitor funktioniert genauso, nur daß aufgrund seines inversen Aufbaus alle Polaritäten vertauscht sind.
Zuerst einmal wollen wir die Betriebsspannung anlegen, und zwar den
Pluspol an den Kollektor und den Minuspol an den Emitter. An den Basisanschluß
werden null Volt gelegt, d.h. er wird direkt mit dem Emitter verbunden.
Resultat ist, daß kein Strom fließt, denn der Kollektor bildet
mit der Basis eine in Sperrichtung betriebene Diode, wie in
Bild 3: Gesperrter npn-Transistor
Nun wollen wir zwischen Basis und Emitter eine positive äußere
Spannung anlegen. Resultat ist zuerst einmal, daß ein Stromfluß
stattfindet, den die Basis-Emitterdiodenstrecke wird in Flußrichtung
betrieben. Es fließen also Elektronen vom Emitter in die p-dotierte
Halbleiterschicht, wo sie Löcherstellen besetzen. Aus der Basis fließt
daher die exakt gleiche Anzahl von Elektronen hinaus. Gleichzeitig findet
jedoch noch ein "Dreckeffekt" statt: Da die p-leitende Halbleiterschicht
dünn ist, finden einige Elektronen in der p-dotierten Schicht nicht
sofort ein Loch und gelangen in die darüberliegende n-dotierte Schicht.
In dieser werden sie jedoch sofort in Richtung des Pluspols gesaugt. Und
da die Anzahl der freien Ladungsträger im Material immer konstant
ist, fließt ein Elektron aus dem Kollektor heraus. Die genauen physikalischen
Zusammenhänge, wieso Elektronen die Sperrschicht zwischen Basis und
Kollektor überwinden können, sind leider sehr kompliziert und
würden den Rahmen deutlich sprengen. Da für das Verständnis
zudem profunde Physikkenntnisse erforderlich sind, wollen wir es dabei
bewenden lassen, daß dieser Effekt auftritt.
Bild 3: Leitender npn-Transistor
Resultat ist, daß man durch einen Stromfluß von Basis zu
Emitter (d.h. Elektronenfluß von Emitter zu Basis) den Stromfluß
von Kollektor zu Emitter steuern kann. Im Beispiel oben ist es eher ein
"Dreckeffekt", aber die Halbleiterhersteller sorgen in der Praxis insbesondere
durch eine extrem dünne aber großflächige Basisschicht
dafür, daß schon kleine Basisströme einen großen
Kollektor-Emitter-Strom zur Folge haben. Das Verhältnis von Kollektor-Emitter-Strom
zu Basisstrom nennt man Stromverstärkungsfaktor. Dieser Stromverstärkungsfaktor
kann bei einem einzelnen Transistor Werte von bis zu 1000 betragen. Bei
einem Basisstrom von einem tausendstel Ampere
Der Stromverstärkungsfaktor hängt von der Bauart ab und ist in weiten Bereichen eine Konstante. Ein Transistor ist also ein stromgesteuertes Halbleiterelement. Er verstärkt zwar nicht wirklich Ströme, wie die Bezeichnung Stromverstärkung vermuten läßt, aber der Kollektor- und damit Emitterstrom folgt bei angelegter äußerer Spannungsquelle mit hoher Präzision einem kleinen Steuerstrom, der in die Basis fließt. Aus diesem Grund kann man mit Transistoren Verstärker aufbauen, die winzige elektrische Signale linear sehr stark verstärken, wie dies beispielsweise Audioverstärker eindrucksvoll beweisen. Man denke nur an den Phonoeingang für die ehemals weitverbreiteten Plattenspieler, wo kleinste Spannungen im Millivoltbereich und darunter soweit verstärkt werden, daß Lautsprecher einen ordentlichen Schalldruck produzieren.
Ist Ihnen aufgefallen, daß der Transistor im obigen Bild symmetrisch aufgebaut ist? Dann müßte es doch eigentlich möglich sein, Kollektor und Emitter zu vertauschen. Das ist in der Tat so. Allerdings sind Transistoren in der Praxis nicht symmetrisch aufgebaut. Zur Erzielung eines hohen Stromverstärkungsfaktors ist nicht nur eine sehr dünne Basisschicht, sondern darüberhinaus ein asymmetrischer Aufbau erforderlich, der bewirkt, daß bei vertauschtem Kollektor und Emitter die Optimierungen sich ins Gegenteil verkehren. Oft erreicht ein Transistor mit einem Stromverstärkungsfaktor von z.B. 500 im umgekehrten Betrieb nur den Faktor 10. Weiterhin ist die Spannungsfestigkeit deutlich geringer.
Transistoren können nicht nur als lineare Stromverstärker
verwendet werden sondern auch als Schalter. Hierbei schleift man einen
Verbraucher wie z.B. eine Lampe entweder in die Kollektor- oder Emitterleitung
ein. Sorgt man dafür, daß der Steuerstrom so groß ist,
daß der Kollektor- bzw. Emitterstrom unter Zugrundelegung des Stromverstärkungsfaktors
größer ist als der reale Strom, der durch die Lampe fließt,
wird der Transistor maximal leitend. Denn der Transistor versucht, den
dem Steuerstrom entsprechenden Kollektor- bzw. Emitterstrom fließen
zu lassen. Da hier aber die Lampe nicht soviel Strom fließen läßt
wie der Transistor möchte, regelt der Transistor sozusagen als Notmaßnahme
total auf, um soviel Strom wie möglich fließen zu lassen. Bei
abgeschaltetem Steuerstrom ist der Transistor gesperrt und es fließt
kein Strom durch die Lampe. Somit wirkt der Transistor in diesem Fall als
Schalter. Der große Vorteil eines Transistors als Schalter ist, daß
es weder mechanisch bewegte Teile gibt noch irgendwelche Kontakte sich
abnutzen können, denn ein Transistor arbeitet verschleißfrei.