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Transistor
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und Verstärken von elektrischem Strom verwendet wird. Die Bezeichnung ist eine Kurzform für die englische Bezeichnung transient resistor, die den Transistor als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben sollte.
Schaltzeichen
Bipolar NPN-Transistor
Transistoren haben drei Anschlüsse. Bei bipolaren Typen werden diese mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Emitter-Kollektor-Strecke steuern. Bei Feldeffekttransistoren werden die Anschlüsse als Gate, Drain, Source bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung am Gate-Anschluss gesteuert.
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- Foto einer Auswahl von Transistoren
Stromverstärkungsfaktor
Man unterscheidet beim bipolaren Transistor den Wechselstromverstärkungsfaktor β und den Gleichstromverstärkungsfaktor B, die sehr unterschiedlich sein können (je nach Aufbau und Dotierung des Transistors).
Die Formel für Gleichstromverstärkungsfaktor lautet:
- ,
wobei IC der Kollektorstrom und IB der Basisstrom des Transistors ist.
Aufbau
Der Transistor wurde auf der Grundlage der Diode entwickelt. Eine Diode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten (NP- bzw. PN-dotiert) und schaltet Strom nur in einer Richtung durch. Ein Transistor ist nun eine Kombination aus drei Dioden"hälften" (NPN- bzw. PNP), wobei die obere und untere Schicht als Kollektor bzw. Emitter und die mittlere Schicht als Basis bezeichnet werden.
Eine konsequente Erweiterung dieses Prinzips sind Halbleiterbauelemente aus mehreren Schichten (z.b. PNPN); diese werden auch als Thyristoren bezeichnet.
Transistorkennlinie
Die Transistorkennlinie charakterisiert die Arbeitsweise eines Transistors und ist für jeden Transistortyp spezifisch. Dabei wird der Basis-Strom gegen den Emitter-Kollektor-Strom (CE-Strom) aufgetragen. Das Ergebnis ist eine Kurve, die unterhalb der Schwellenspannung (idealerweise) keine Spannung anzeigt, dann steil ansteigt und schließlich oberhalb der Schwellenspannung einen konstant hohen Strom anzeigt.
Die Transistorkennlinie wird zumeist in drei Bereiche eingeteilt - im Bereich I, dem Sperrbereich, leitet der Transistor keinen Strom. Der Bereich II (Verstärkungsbereich) ist meist durch eine große CE-Stromänderung bei nur kleiner Basisstrom-Änderung gekennzeichnet. Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken. Im Bereich III schaltet der Transistor auf der CE-Strecke durch.
Während in der Signaltechnik Transistoren oft im Bereich II betrieben werden, werden Transistoren in der Digitaltechnik (beispielsweise in der CPU) fast ausschließlich in den Bereichen I und III betrieben, um so die logischen Signale "0" bzw. "1" darstellen zu können.
Geschichte
1948 gilt allgemein als das Jahr, in dem der Transistor erfunden wurde. Beteiligt an der Erfindung waren William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, die 1956 den Nobelpreis dafür erhielten. In den 1950er Jahren gab es einen Wettlauf zwischen Röhre und Transistor, in dessen Verlauf die Chancen des Transistors häufig eher skeptisch beurteilt wurden.
Wenn man alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (Speicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die je von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde. Laut Gordon Moore, dem Mitbegründer der Firma Intel, wurde allein im Jahr 2002 eine Trillion produziert.
Varianten von Transistoren
- Bipolartransistor
- Fototransistor
- Feldeffekttransistor FET
- Metall-Oxid-Feldeffekttransistor MOSFET
- JFET-Transistor: Junction FET Transistor
- Darlington-Transistor