Transistor

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein Miniatur-Halbleiter, der den Strom- oder Spannungsfluss reguliert oder steuert, diese elektrischen Signale verstärkt und erzeugt und als Schalter oder Tor für sie fungiert. In der Regel bestehen Transistoren aus drei Schichten oder Anschlüssen aus einem Halbleitermaterial, von denen jede einen Strom führen kann.

Transistoren sind wichtige Komponenten der modernen Elektronik. Als Verstärker wandelt ein Transistor einen kleinen Eingangsstrom in einen größeren Ausgangsstrom um. Als Schalter kann er sich in einem von zwei verschiedenen Zuständen befinden – ein oder aus –, um den Fluss elektronischer Signale durch einen Stromkreis oder ein elektronisches Gerät zu steuern.

Warum Transistoren wichtig sind

Ein Transistor hat nur ein Schaltkreiselement. In kleinen Mengen werden Transistoren zur Herstellung einfacher elektronischer Schalter verwendet. Sie sind die Grundelemente in integrierten Schaltkreisen (ICs), die aus einer großen Anzahl von Transistoren bestehen, die mit Schaltkreisen verbunden und in einem einzigen Silizium-Mikrochip eingebrannt sind.

In großer Zahl werden Transistoren zur Herstellung von Mikroprozessoren verwendet, bei denen Millionen von Transistoren in einen einzigen IC eingebettet sind. Sie steuern auch Computerspeicherchips und Speichergeräte für MP3-Player, Smartphones, Kameras und elektronische Spiele. Transistoren sind in fast allen integrierten Schaltkreisen eingebettet, die in jedem elektronischen Gerät zu finden sind.

Transistoren werden auch für Niederfrequenz-Hochleistungsanwendungen verwendet, wie zum Beispiel Wechselrichter für die Stromversorgung, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Darüber hinaus werden Transistoren auch in Hochfrequenzanwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel in Oszillatorschaltungen, die Funksignale erzeugen.

Wie Transistoren die Technikwelt revolutionierten

Transistoren wurden 1947 in den Bell Laboratories erfunden. Diese Solid-State-Elemente ersetzten schnell die sperrigen Vakuumröhren als elektronische Signalregler. Die Erfindung des Transistors befeuerte den Trend zur Miniaturisierung der Elektronik. Sie gelten heute als eine der bedeutendsten Entwicklungen in der Geschichte des PCs.

Transistoren sind kleiner, leichter und verbrauchen weniger Strom als Vakuumröhren. Daher sind elektronische Systeme, die mit ihnen hergestellt werden, auch kleiner, leichter, schneller und effizienter als solche, die mit Vakuumröhren hergestellt werden. Transistoren sind außerdem stärker, benötigen weniger Strom und im Gegensatz zu Vakuumröhren keine externen Heizungen.

Mit der Verkleinerung der Transistoren sanken auch ihre Kosten, wodurch sich mehr Möglichkeiten für ihren Einsatz ergaben. Durch die Integration von Transistoren mit Widerständen und anderen Dioden und Elektronikkomponenten werden integrierte Schaltkreise kleiner. Diese Miniaturisierung steht im Zusammenhang mit dem Mooreschen Gesetz, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem kleinen integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre verdoppelt.

Transistoren erklärt

Ein Halbleiterbauelement, das Elektrizität auf halbdurchlässige Weise leitet, liegt irgendwo zwischen einem echten Leiter wie Kupfer und einem Isolator wie dem Kunststoff, der um Drähte gewickelt ist. Obwohl die meisten Transistoren aus Silizium bestehen, werden auch andere Materialien wie Germanium und Galliumarsenid verwendet.

Silizium, ein chemisches Element, das häufig in Sand vorkommt, ist normalerweise kein elektrischer Leiter. Bei einem chemischen Prozess, der als Dotierung bezeichnet wird, werden Verunreinigungen in einen Halbleiter eingebracht, um elektrische, optische und strukturelle Eigenschaften zu modulieren. Dadurch kann Silizium freie Elektronen gewinnen, die elektrischen Strom leiten. Das Silizium wird entweder zu einem n-Halbleiter, bei dem Elektronen aus ihm herausfließen, oder zu einem p-Halbleiter, bei dem Elektronen in ihn hineinfließen. In beiden Fällen ermöglicht der Halbleiter, dass der Transistor als Schalter oder Verstärker fungiert.

Die Dreischichtstruktur eines Transistors enthält eine der folgenden Schichten:

• Eine n-Halbleiterschicht zwischen zwei p-Schichten in einer positiv-negativ-positiven (PNP) Konfiguration.
• Eine p-Schicht zwischen zwei n-Schichten in einer negativ-positiv-negativen (NPN) Konfiguration.

Unabhängig von ihrer Konfiguration fungiert die innere Halbleiterschicht als Steuerelektrode oder Leiter, die Elektrizität ein- oder austreten lässt. Eine kleine Änderung des Stroms oder der Spannung an dieser Schicht führt zu einer großen, schnellen Änderung des Stroms, der durch das gesamte Bauteil fließt, wodurch der Transistor funktioniert. Diese Änderung tritt an der Verbindungsstelle der n- und p-Schichten auf, die auch als Verarmungszone bezeichnet wird und als Isolator fungiert.

Funktionsweise von Transistoren

Ein Transistor funktioniert als Schalter oder Tor für elektronische Signale, indem er ein elektronisches Tor viele Male pro Sekunde öffnet und schließt. Er stellt sicher, dass der elektronische Schaltkreis eingeschaltet ist, wenn Strom fließt, und ausgeschaltet ist, wenn dies nicht der Fall ist. Komplexe Schaltkreise, aus denen alle modernen Netzwerk- und Telekommunikationssysteme bestehen, basieren auf Transistoren. Schaltkreise bieten auch hohe Schaltgeschwindigkeiten, wie Hunderte von Gigahertz oder mehr als 100 Milliarden Ein- und Ausschaltzyklen pro Sekunde.

Transistoren werden zu einem Logikgatter (Logic Gate) kombiniert, das mehrere Eingangssignale vergleicht, um ein anderes Ausgangssignal zu erzeugen. Computer mit Logikgattern können mithilfe der Booleschen Algebra einfache Entscheidungen treffen. Diese Techniken bilden die Grundlage für moderne Computer und Computerprogramme.

Transistoren spielen auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung elektronischer Signale. Beispielsweise sorgt bei Funkanwendungen wie FM-Empfängern, bei denen das empfangene elektrische Signal aufgrund von Störungen schwach ist, eine Verstärkung für eine hörbare Ausgabe. Transistoren erhöhen die Signalstärke, um diese Verstärkung zu ermöglichen.

Teile eines Transistors

Ein Transistor ähnelt einem Satz von zwei Dioden, deren Kathoden oder Anoden miteinander verbunden sind. Er verfügt über drei Anschlüsse, die elektrischen Strom leiten und eine Verbindung zu externen Schaltkreisen herstellen:

• Der Emitter ist die negative Leitung des Transistors.
• Die Basis ist der Anschluss, der den Transistor aktiviert.
• Der Kollektor ist die positive Leitung des Transistors.

NPN-Transistoren haben eine p-leitende Siliziumbasis. Diese befindet sich zwischen zwei Schichten n-leitenden Siliziums – dem Emitter und dem Kollektor.

Der Emitter ist mittelgroß und stark dotiert. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Elektronen, die als Majoritätsträger bezeichnet werden und den Großteil des elektrischen Stroms transportieren, bereitzustellen. Er wird als Emitter bezeichnet, weil er Elektronen emittiert.

Die Basis ist der mittlere Anschluss zwischen Emitter und Kollektor. Sie ist dünn und leicht dotiert. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die Ladungsträger vom Emitter zum Kollektor zu leiten.

Der Kollektor sammelt die vom Emitter über die Basis gesendeten Ladungsträger. Er ist mäßig dotiert und größer als Emitter und Basis.

Emitter, Basis und Kollektor haben in einem PNP-Schaltkreis dieselben Funktionen. Der einzige Unterschied beim PNP-Transistor besteht darin, dass die n-leitende Basis zwischen dem p-leitenden Emitter und dem Kollektor liegt. Die NPN- und PNP-Konfigurationen bestimmen die Richtung des Emitterpfeils, der immer Teil des Emitter-Basis-Übergangs ist. Der Pfeil zeigt bei einem NPN-Schaltkreis nach außen und bei einem PNP-Schaltkreis nach innen.

Transistortypen

Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren:

• Bipolartransistor (BJT).
• Feldeffekttransistor (FET).

Ein Bipolartransistor ist einer der häufigsten Transistortypen und kann entweder NPN oder PNP sein. Das bedeutet, dass ein Bipolartransistor aus drei Anschlüssen besteht: dem Emitter, der Basis und dem Kollektor. Durch die Verbindung dieser drei Schichten kann ein Bipolartransistor ein elektrisches Signal verstärken und den Strom ein- und ausschalten.

Zwei Arten elektrischer Ladung – Elektronen und Löcher – erzeugen die Stärke des Stromflusses. Der Basis-Emitter-Übergang des BJT ist mit einem kleinen Emitterwiderstand in Durchlassrichtung vorgespannt, während der Basis-Kollektor-Übergang mit einem großen Widerstand in Sperrrichtung vorgespannt ist.

In einem PNP-BJT erfolgt die Leitung durch Löcher oder das Fehlen von Elektronen. Der Kollektorstrom ist etwas geringer als der Emitterstrom. Änderungen des Emitterstroms wirken sich auf den Kollektorstrom aus. Die Basis steuert den Basisstromfluss vom Emitter zum Kollektor. In diesem Fall gibt der Emitter Löcher ab, die der Kollektor dann sammelt.

In einem NPN-Typ-BJT wandern Elektronen vom Emitter zur Basis und werden vom Kollektor gesammelt. Wenn dies geschieht, fließt ein herkömmlicher Strom vom Kollektor zum Emitter. Die Basis steuert die Anzahl der vom Emitter abgegebenen Elektronen.

Sowohl bei NPN- als auch bei PNP-Bipolartransistoren ist eine Verstärkung möglich, wenn sie im aktiven Bereich oder im aktiven Modus arbeiten, in dem die Basis den Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor steuert. Mit zunehmendem Basisstrom steigt auch der Ausgangsstrom und verstärkt sich.

Ein FET hat ebenfalls drei Anschlüsse – Source, Drain und Gate – die jeweils dem Emitter, Kollektor und der Basis eines BJT entsprechen. Beim FET sind die n- und p-leitenden Siliziumschichten anders angeordnet als beim BJT. Sie sind außerdem mit Metall- und Oxidschichten überzogen, um den Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) zu erzeugen.

Beim FET bezieht sich der Feldeffekt auf einen Effekt, der den Stromfluss ermöglicht und den Transistor einschaltet. Elektronen können nicht von der n-leitenden Source zum Drain fließen, da das dazwischen liegende p-leitende Gate Löcher enthält. Durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gate wird jedoch ein elektrisches Feld erzeugt, das den Elektronenfluss von der Source zum Drain ermöglicht. Dadurch entsteht der Feldeffekt, der den Stromfluss im FET erleichtert.

FETs werden häufig in rauscharmen Verstärkern, Pufferverstärkern und analogen Schaltern eingesetzt. Der Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor wird oft für Hochfrequenzanwendungen wie Mikrowellenschaltungen verwendet.

Zu den anderen Transistortypen gehören:

• Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ein Halbleiter mit drei Anschlüssen, der für spannungsgesteuerte Präzisionssteuerungen in der analogen Elektronik unerlässlich ist.
• Dünnschichttransistor, ein FET-Typ, der häufig in Flüssigkristallanzeigen verwendet wird.
• Schottky-Transistor, der einen Transistor und eine Schottky-Diode kombiniert, die für ihr extrem schnelles Schalten bekannt sind, um den Transistor durch Umleitung von übermäßigem Eingangsstrom vor der Sättigung zu bewahren.
• Diffusionstransistor, ein BJT-Typ, der durch die Diffusion von Dotierstoffen auf ein Substrat entsteht.

Wie werden Transistoren in der Leistungselektronik eingesetzt?

Leistungselektronik, wie zum Beispiel Netzteile oder Audioverstärker, benötigt Transistoren. Durch ihre Fähigkeit, große Strommengen schnell ein- und auszuschalten, können sie den Stromfluss in diesen Geräten steuern und gleichzeitig Risiken minimieren. Transistoren sind auch in leistungsstarken, großtechnischen Geräten und Systemen nützlich, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen, Windturbinen, Solarmodulen und anderen Geräten zur Erzeugung erneuerbarer Energien.

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und MOSFETs sind die Transistortypen, die in der Leistungselektronik verwendet werden. IGBTs vereinen die Stärken von BJT und MOSFET: Sie leiten Strom wie BJT, verfügen aber über die Spannungsregelung eines MOSFET. Dadurch sind sie eine echte Alternative zu BJT und MOSFET.

Wie wirkt sich die Größe eines Transistors auf seine Leistung aus?

Im Laufe der Zeit wurden Transistoren weiterentwickelt und sind auch kleiner geworden, was ihre Leistung verbessert. Es gibt einige Gründe, warum Branchenexperten sich einig sind, dass kleinere Transistoren eine bessere Leistung bedeuten. Dazu gehören die folgenden:

• Mehr Platz in den Chips. Wenn Transistoren kleiner sind, schaffen sie mehr Platz in den Mikrochips, in denen sie untergebracht sind, sodass mehr Transistoren und Kombinationen hineinpassen. Dadurch wird die Rechenleistung erhöht.
• Schnellere Stromumschaltung. Kleinere Transistoren bedeuten, dass Elektronen eine kürzere Strecke zurücklegen müssen. Kürzere Strecken bedeuten schnellere Stromumschaltzeiten.
• Geringerer Stromverbrauch. Kleine Transistoren benötigen geringere Spannungen, während größere Transistoren eine höhere Spannung benötigen.
• Verbesserte Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die erhöhte Anzahl von Transistoren in einem Chip in Kombination mit einer schnelleren Stromumschaltung führt zu verbesserten Verarbeitungsgeschwindigkeiten.

Aktuelle Entwicklungen bei Transistoren

Neuere Innovationen bei Transistoren weisen den Weg für zukünftige Entwicklungen. Kleinere Größe und höhere Effizienz sind sicherlich der Weg in die Zukunft, wie neue Transistordesigns zeigen. Dazu gehören Gabelscheibentransistoren (Forksheet Transistor) und Nanoscheibenstrukturen (Nanosheet), die kompakter und schneller sind als aktuelle Designs (Stand August 2024). Unternehmen wie IBM erforschen und testen neue Nanoscheibeninnovationen.

Es wird oft über Quantencomputer gesprochen und darüber, wie Quantencomputer bestimmte Verarbeitungsaufgaben schneller ausführen werden als herkömmliche Computer, die auf Transistoren basieren. Die Vorstellung, dass Quantencomputer transistorbasierte Computer in großem Umfang ersetzen werden, ist jedoch in absehbarer Zukunft nicht wahrscheinlich. Es ist wahrscheinlicher, dass die transistorbasierte Technologie für alltägliche Aufgaben wichtig bleibt, während Unternehmen, die Quantencomputer bauen, diese für komplexere Verarbeitungsaufgaben einsetzen könnten, wie zum Beispiel die Analyse riesiger Datensätze, die für herkömmliche Computer zu rechenintensiv sind.