Transistor – Aufbau und Funktion

Hallo. In diesem Video zeige ich dir den Aufbau und die Funktion eines bipolaren Transistors. Transistoren kannst du zum Beispiel im Verstärker einer Musikanlage finden. Oder im Sensor eines Rauch- oder Bewegungsmelders. Auch in jedem PC oder Tablet. Eigentlich in so ziemlich jedem modernen elektronischen Gerät findet man Transistoren.

Sie gehören zu den vielseitigsten und wichtigsten Bauteilen der Elektronik. Ohne Transistoren gäbe es keine Smartphones oder moderne Computer. Der Aufbau eines Transistors leitet sich stark von dem einer Halbleiterdiode ab. Deswegen wäre es gut, wenn du Halbleiterdioden und das Dotieren von Halbleitern schon kennst.

Schalter und Verstärker

Die Funktionsweise der Diode hilft uns dann, die Funktion des Transistors zu verstehen. Dabei lernst du die zwei Hauptfunktionen, die des Schalters und die des Verstärkers, kennen. Anhand dieser Funktionen wird die vielfältige Anwendung deutlich. Steigen wir also mit dem Aufbau der Halbleiterdiode ein.

Aufbau der Halbleiterdiode

Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten. Die n-Schicht ist negativ und die p-Schicht positiv dotiert. Beim Schaltsymbol wie auch auf den Bauteilen selbst markiert ein Strich immer die negativ dotierte Schicht, die auch als Kathode bezeichnet wird.

Die Aufgabe der Diode

Das ist wichtig, denn die Hauptaufgabe der Diode besteht darin, den Ladungsträgerfluss nur in einer Richtung zuzulassen. Diese nennt man die Durchlassrichtung. In umgekehrter Richtung, der Sperrrichtung, ist die Stromstärke nahezu Null und die Lampe leuchtet nicht. Auf diesem Bild siehst du nun einige Transistoren.

Ihre Größe variiert stark je nach Einsatzort. Diese hier sind einige Zentimeter bis wenige Millimeter groß. Als Teil eines Mikroprozessors können sie jedoch auch nur wenige Nanometer, d.h. 10 hoch minus neun Meter, klein sein. Der auffälligste Unterschied zur Diode ist der, dass ein Transistor drei Anschlüsse hat.

Der bipolare Transistor

Dieser besteht nämlich aus drei dotierten Halbleiterschichten in der Anordnung npn oder pnp. Daher auch die Bezeichnung bipolarer Transistor. Es gibt nämlich auch andere Bauvarianten. Die dünne Mittelschicht wird hier immer Basis genannt, die äußeren Schichten heißen Kollektor und Emitter.

Das Schaltsymbol des Transistor sieht so aus. Dabei unterscheidet man zwischen npn- und pnp-Transistor indem man den kleinen Pfeil am Emitter entweder von der Basis weg oder zur Basis hin zeichnet. Ok. Soweit ist das alles klar. Aber wie funktioniert dieses Bauteil nun? Dazu schauen wir uns den npn-Transistor an zwei Beispielen an.

Der Transistor im Bewegungsmelder

Zuerst am Bewegungsmelder. Ein Bewegungsmelder ist dazu da, dass das Licht vor der Haustür oder im Flur angeht, sobald sich etwas bewegt. Quasi wie ein Lichtschalter. Wenn wir uns das in einem Schaltplan anschauen, würde das in etwa so aussehen. Den Bewegungsmelder stelle ich hier als Blackbox dar, da wir nicht genau wissen, wie der aufgebaut ist. Das Prinzip aber lautet: Wenn vom Bewegungsmelder ein Signal kommt, dann soll die Lampe leuchten.

Und hier kommt unser npn-Transistor ins Spiel. Basis und Emitter werden an den Stromkreis zum Bewegungsmelder angeschlossen. Kollektor und Emitter an den Stromkreis der Lampe. Im Ausgangszustand leuchtet die Lampe noch nicht. Das liegt daran, dass die Kollektor-Emitter-Strecke noch nicht leitend ist. Wie eine Diode in Sperrrichtung lässt sie keinen elektrischen Strom durch.

Doch nun kommt ein Signal vom Bewegungsmelder. Das bedeutet, dass sich jetzt ein kleiner Strom über Basis und Emitter einstellt, der sogenannte Basisstrom I_B. Und dieser Basisstrom bewirkt, dass die Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird. Das ermöglicht einen Kollektorstrom I_C und die Lampe leuchtet.

Der Kollektorstrom

Wenn wir den elektrischen Stromkreislauf mit einem Wasserkreislaufmodell darstellen wollen, können wir uns den Transistor wie eine Schleuse vorstellen. Am Anfang ist die Kollektor-Emitter-Strecke gesperrt. Doch der Basisstrom öffnet quasi die Klappe am Kollektor bzw. das Schleusentor, und ermöglicht einen großen Kollektorstrom.

Genau wie ein mechanischer Schalter kann ein Transistor also als Schalter zum Ansteuern eines Stromkreises dienen. Diesen Effekt nennt man den Transistoreffekt. Ein kleiner Basisstrom steuert einen großen Kollektorstrom.

Dass der Basisstrom klein und der Kollektorstrom groß ist, liegt an der Bauweise des Transistors. Die Basisschicht ist immer sehr viel dünner, als die beiden anderen Schichten. Und dieses ungleiche Verhältnis macht man sich ebenfalls zu Nutze. Zum Beispiel bei der Musikanlage.

Transistoren in Musikanalagen

Wir tauschen in unserer Schaltung den Bewegungsmelder gegen ein Mikrophon und die Lampe gegen einen großen Lautsprecher. Das Eingangssignal, dass vom Mikrophon kommt ist verhältnismäßig schwach. Der Lautsprecher hingegen braucht eine große Stromstärke, um eine ordentliche Lautstärke aufzubringen. Und genau hierbei hilft wieder der Transistor. Ein kleiner Basisstrom auf der Seite des Mikrophons ermöglicht einen großen Kollektorstrom für den Lautsprecher.

Ein Transistor kann somit auch als Verstärker dienen. Oftmals werden sogar gleich mehrere Transistoren hintereinander geschaltet, um eine noch größere Verstärkung zu erreichen. Der Transistoreffekt macht das Bauteil zu einem wichtigen Grundbestandteil fast jeder modernen Elektronik.

Der Transistor im Mikroprozessor

In der Digitaltechnik kommt er jedoch selten allein, sondern meist in integrierten Schaltungen zum Einsatz. So zum Beispiel bei einem Mikroprozessor, einem RAM- oder einem Flash-Speicher. In der Analogtechnik können Transistoren sowohl als Vorverstärker zur Rauschminderung, in der Audiotechnik oder als Leistungsverstärker eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Fassen wir zusammen, was du in diesem Video gelernt hast: Ein Transistor besteht aus drei dotierten Halbleiterschichten in der Anordnung npn oder pnp. Die drei Anschlüsse heißen *Basis, Kollektor und Emitter. Mit Hilfe des Schleusenmodells können wir uns vorstellen, das ein kleiner Basisstrom einen großen Kollektorstrom ermöglicht und steuert. Und dieser Effekt wird Transistoreffekt genannt.

Übrigens: Transistoren als Einzelbauteile sind nicht teuer. Für ein paar Cent kannst du sie in vielen Elektronikgeschäften kaufen. Damit kannst du dann zum Beispiel deine eigene Disco-Lichtorgel ansteuern. Viel Spaß beim Basteln!