Der Transistor – Schalter und Verstärker
Ein moderner Computerchip enthält viele Milliarden Transistoren. Jeder einzelne ist ein winziger elektronischer Schalter: Ein kleiner Steuerstrom (oder eine Steuerspannung) schaltet einen viel größeren Strom ein und aus.
Aufbau eines bipolaren Transistors
Ein npn-Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten: n – p – n. Die Anschlüsse heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Die mittlere p-Schicht, die Basis, ist sehr dünn. Grundlagen zu n- und p-Halbleitern findest Du unter Halbleiter und Diode.
- Ohne Basisstrom sperrt der Transistor: Zwischen Kollektor und Emitter fließt kein Strom.
- Fließt ein kleiner Strom von der Basis zum Emitter (ab etwa 0,7 V Basis-Emitter-Spannung), wird die Strecke Kollektor–Emitter leitend.
- Der Kollektorstrom ist dabei viel größer als der Basisstrom – typisch um den Faktor 100 bis 500. Diesen Faktor nennt man Stromverstärkung B = IC / IB.
Der Transistor als Schalter
Mit einem Taster, einem Fotowiderstand oder einem Temperatursensor im Basiskreis lassen sich so Lampen, Motoren oder Klingeln steuern, die selbst viel zu viel Strom für den Sensor bräuchten. Typische Schülerschaltungen sind der Dämmerungsschalter (Licht geht an, wenn es dunkel wird), der Feuchtigkeitsmelder und die Alarmanlage.
Beispiel: Stromverstärkung
Eine Lampe braucht 200 mA. Der Transistor hat eine Stromverstärkung von B = 200. Nötiger Basisstrom: IB = 200 mA / 200 = 1 mA. So kann ein schwacher Sensor eine viel größere Last schalten.
Der Transistor als Verstärker
Ändert sich der Basisstrom ein wenig, ändert sich der Kollektorstrom im gleichen Verhältnis, aber viel stärker. So wird aus dem schwachen Signal eines Mikrofons ein Strom, der einen Lautsprecher antreiben kann. Der Transistor erzeugt dabei keine Energie – sie kommt aus der Stromversorgung; der Transistor steuert nur, wie viel davon fließt.
Feldeffekttransistoren und Computerchips
In Computerchips arbeiten fast nur Feldeffekttransistoren (MOSFET). Bei ihnen steuert eine Spannung am Anschluss Gate über ein elektrisches Feld, ob zwischen Source und Drain Strom fließt – fast ohne Steuerstrom. Ein Transistor kennt so zwei Zustände: an (1) und aus (0). Aus vielen Transistoren baut man Logikgatter (UND, ODER, NICHT), Speicher und ganze Prozessoren. Die kleinsten Strukturen sind nur noch wenige Nanometer groß.
Typischer Fehler
Den Transistor ohne Basiswiderstand direkt an die Batterie schließen. Die Basis-Emitter-Strecke verhält sich wie eine Diode – ohne Strombegrenzung wird der Transistor zerstört.
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