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Transistor – Aufbau und Funktion

Ein Transistor ist ein sehr wichtiger Bestandteil von elektronischen Schaltungen, zum Beispiel in Computern und Handys. Er dient dazu, elektronische Signale zu verstärken. Ein Transistor setzt sich aus zwei Dioden zusammen, die in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind. Erfahre mehr über seinen Aufbau und seine Funktionsweise! Neugierig geworden? All das und vieles mehr kannst du im folgenden Text entdecken.

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Physik-Team
Transistor – Aufbau und Funktion
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Beschreibung zum Video Transistor – Aufbau und Funktion

Hast du dich schon einmal gefragt, warum man von Naturgesetzen spricht? Du weißt natürlich, was Natur bedeutet und hast sicher auch schon mal von Gesetzen gehört. Aber wie kommt beides zusammen?

In diesem Video erhältst du Antwort auf diese Frage. Du lernst, was das Besondere an Naturgesetzen ist und was sie von Modellvorstellungen unterscheidet. Ergänzend zum Video findest du interaktive Übungen. Versuch gleich, sie zu lösen. Schaffst du es ohne Fehler?

Grundlagen zum Thema Transistor – Aufbau und Funktion

Transistor – einfach erklärt

Transistoren kommen in verschiedenen Geräten vor: In der Digitaltechnik meist in integrierten Schaltungen, z. B. in einem Prozessor, RAM oder Flashspeicher, in der Analogtechnik als Vorverstärker oder Leistungsverstärker.

Transistoren kommen als Bauteile in fast allen elektronischen Geräten vor. Als Teile von Mikroprozessoren sind sie nur einige Nanometer groß. Man verwendet Transistoren z. B. als Schalter oder Verstärker, generell zur Steuerung von Strömen.

Das Wort Transistor ist eine Wortschöpfung aus den englischen Wörtern transfer (übertragen, Übertragung) und resistor (Widerstand).

Diode in der Physik

Eine Halbleiter-Diode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten. Die n‑Schicht ist negativ dotiert, die p‑Schicht positiv dotiert. Das Schaltsymbol der Diode wie auch das Bauteil selbst sind an der negativ dotierten Seite durch einen Strich gekennzeichnet. In einem Stromkreis lässt eine Diode den Fluss der Ladungsträger, also den Strom, nur in einer Richtung, der Durchlassrichtung, zu. In der umgekehrten Sperrrichtung ist die Stromstärke nahezu null.

Wusstest du schon?
Ein einzelner Computerchip kann heute mehrere Milliarden Transistoren enthalten. Diese winzigen Schalter arbeiten blitzschnell zusammen und ermöglichen es deinem Smartphone, Fotos zu bearbeiten, Musik zu spielen und im Internet zu surfen – alles gleichzeitig!

Transistor – Aufbau

Ein Transistor hat drei Anschlüsse und besteht aus drei dotierten Halbleiterschichten. Diese sind in der Reihenfolge p‑n‑p oder n‑p‑n angeordnet. Daher nennt man dieses Bauteil auch bipolarer Transistor. Die dünne Mittelschicht des Transistors heißt Basis, die dickeren äußeren Schichten heißen Kollektor und Emitter. Beim Schaltsymbol eines n‑p‑n‑Transistors zeigt der Pfeil zum Emitter hin, beim Schaltsymbol eines p‑n‑p‑Transistors vom Emitter weg.

bipolarer Transisor npn pnp Aufbau Schaltsymbol

Fehleralarm
Ein verbreiteter Fehler ist, zu glauben, dass alle Transistoren gleich groß sind. Tatsächlich gibt es sie in verschiedenen Größen, abhängig von ihrer Anwendung und Technologie.

Transistor – Funktion

Transistoren kann man auf verschiedene Weisen verwenden, z. B. als Schalter oder Verstärker.

Transistor als Schalter

In einem Bewegungsmelder fungiert der Transistor als Schalter, der das Licht einschaltet, wenn sich etwas bewegt. Das Schaltbild besteht aus zwei Stromkreisen, die durch einen n‑p‑n‑Transistor verbunden sind. Basis und Emitter des Transistors sind in den Stromkreis des Bewegungsmelders geschaltet, Kollektor und Emitter in den Stromkreis der Lampe. Im Ausgangszustand fließt kein Strom, und die Strecke zwischen Kollektor und Emitter ist nicht leitend. Ein Signal des Bewegungsmelders bewirkt einen kleinen Basisstrom $I_\text{B}$ zwischen Basis und Emitter. Hierdurch wird die Strecke zwischen Kollektor und Emitter leitend. Der Transistor schließt also den Stromkreis der Lampe, in dem nun der Kollektorstrom $I_\text{C}$ fließt und die Lampe zum Leuchten bringt.

Transistor Schalter Bewegungsmelder Schaltplan

Transistor-Effekt

Die Funktion, durch einen kleinen Basisstrom einen großen Kollektorstrom zu steuern, nennt man den Transistor‑Effekt. Dass der Basisstrom kleiner ist als der Kollektorstrom, liegt an der Bauweise des Transistors, dessen Basisschicht viel dünner ist als die beiden äußeren Schichten.

Transistor als Verstärker

Den Transistor‑Effekt macht man sich bei der Funktion eines Verstärkers zunutze. Das Schaltbild besteht wie beim Bewegungsmelder aus zwei Stromkreisen, die durch einen Transistor verbunden sind. Basis und Emitter sind in den Stromkreis des Mikrofons geschaltet, Kollektor und Emitter in den Stromkreis des Lautsprechers. Vom Mikrofon kommt ein relativ schwaches Signal, der Basisstrom $I_\text{B}$. Im Lautsprecher fließt dadurch ein starker Kollektorstrom $I_\text{C}$. Um eine größere Verstärkung zu erreichen, werden mehrere Transistoren hintereinander geschaltet.

Transistor Verstärker Schaltplan

Schlaue Idee
Wenn du eine LED‑Lampe baust, sorge dafür, dass die Helligkeit durch Transistoren geregelt wird. Sie helfen dir, den Strom zu verstärken und die LEDs heller oder dunkler leuchten zu lassen.

Transistor – Transistortypen

Grundsätzlich lassen sich zwei Hauptformen des Transistors unterscheiden: Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren. Dabei sind Feldeffekttransistoren spannungsgesteuerte Widerstände und Bipolatransistoren stromgesteuerte Widerstände. Sie unterscheiden sich außerdem bei den Ladungsträgern, die zum Stromfluss beitragen. Bei Bipolartransistoren sind dies Elektronen und Löcher, bei Feldeffekttransistoren Elektronen oder Löcher.

Bipolartransistor

Bipolartransistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten, deren Reihenfolge variiert.

transistoren

npn-Transistor

Der Name gibt einen Hinweis auf die Reihenfolge der Halbleiterschichten. Emitter und Kollektor bestehen aus n‑dotierten Schichten, die Basis ist p‑dotiert. Der zu steuernde Strom fließt zwischen Kollektor und Emitter.

Fließt durch die Basis kein Strom, so wirkt Kollektor-Emitter-Strecke wie ein geöffneter Schalter (oder unendlicher Widerstand). Sie ist gesperrt.

Sobald ein geringer Strom durch die Basis fließt, wird die Kollektor‑Emitter‑Strecke leitfähig; es wird ein Vielfaches des Basisstroms durchgelassen.

pnp-Transistor

In einem pnp-Transistor ist die Basis n‑dotiert, Kollektor und Emitter sind dagegen p‑dotiert.

Feldeffekttransistor

Die drei Anschlüsse eines Feldeffekttransistors (im Englischen field‑effect transistor, FET) heißen gate (Tor), source (Quelle) und drain (Abfluss).

JFET (SFET)

Der Sperrschichtfeldeffekttransistor (im Englischen junction field‑effect transistor, JFET) erhält seinen Namen daher, dass die Größe der Sperrschicht zwischen den beiden p‑n‑Übergängen variiert werden kann.

Dabei ist jeweils die eine dotierte Schicht von der anderen dotierten Schicht umgeben, wodurch Leitungskanäle erzeugt werden.

MOSFET

Hier besteht der Gate‑Anschluss aus einem Metall (metal, M), der von dem Halbleiter (semiconductor, S) durch eine Oxidschicht (oxide, O) getrennt wird – ein metal‑oxide‑semiconductor field‑effect transistor (MOSFET).

Anwendung von Halbleiterbauteilen – Tabelle

Halbleiterbauteil Anwendung
Diode
(zwei dotierte Schichten)
Gleichrichter:

Er lässt Strom nur in eine Richtung passieren.

Transistor
(drei dotierte Schichten)
Schalter:
Nur wenn ein Basisstrom $I_\text{B}$ anliegt, fließt ein Kollektorstrom $I_\text{C}$.

Verstärker:
Der schwache Basisstrom $I_\text{B}$ wird zum stärkeren Kollektorstrom $I_\text{C}$ verstärkt.

Ausblick – das lernst du nach Transistor – Aufbau und Funktion

Vertiefe dein Wissen über Transistoren und entdecke ihre Rolle in der Technologie. MOSFETs – Transistoren für integrierte Schaltungen und Dotierung und Störstellenleitung vermitteln dir spannende Einblicke. Erlebe, wie die Welt der Physik zunehmend mit digitalen Technologien verschmilzt. Sei gespannt und tauche tiefer in die faszinierende Welt der Elektrotechnik ein!

Zusammenfassung des Transistors

  • Transistoren sind Halbleiterbauteile mit drei Anschlüssen, die als regelbare Widerstände fungieren. Sie dienen als Schalter oder Verstärker, generell zum Steuern von Strömen.
  • Man unterscheidet Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren.
  • Aufgrund ihrer Bauform sind Bipolartransistoren stromgesteuert, Feldeffekttransistoren hingegen spannungsgesteuert.
  • Als Transistor-Effekt bezeichnet man die Tatsache, dass mit einem sehr kleinen Basisstrom eine großer Kollektorstrom gesteuert wird.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Transistor

Was ist ein Transistor?
Wie funktioniert ein Transistor?
Was sind zwei Transistortypen?
Was sind PNP- und NPN-Transistor?
Was ist der Unterschied zwischen einem Transistor und einem MOSFET?
Wie funktioniert ein Transistor als Verstärker?
Was ist ein MOSFET Transistor?
Warum werden Transistoren in der Elektronik verwendet?

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Vorschaubild einer Übung

Transkript 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!

3 Kommentare
  1. Gutes Video mit einem gut verständlichem Beispiel.

    Von Joris Hattendorf, vor mehr als 7 Jahren
  2. Gutes Video! :)

    Von Maxi Griesser10, vor mehr als 9 Jahren
  3. Seid Ihr4 sicher, dass Position 2 die richtige Lösung ist?
    Damit ein Basisstrom fließen kann, muss doch der Stromkreis bei 1 geschlossen sein!

    Von Ax Schoenfeld, vor mehr als 9 Jahren

Transistor – Aufbau und Funktion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Transistor – Aufbau und Funktion kannst du es wiederholen und üben.
  • Stelle den Aufbau von Transistoren und Dioden dar.

    Tipps

    Von der Funktionsweise der Bauteile kann man auf ihre Schaltzeichen schließen.

    Lösung

    Die Diode sperrt, wenn die Kathode, also die negativ dotierte Seite der Diode, an den Plus-Pol angeschlossen wird.

    Der Pfeil am Schaltzeichen des Transistors gibt uns einen Hinweis darauf, ob es ein npn- oder ein pnp-Transistor ist. Der Pfeil deutet in die technische Stromrichtung. Das ist die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung der Elektronen, die, wie wir wissen, eigentlich die Ursache eines elektrischen Stromes sind.

  • Benenne die Anschlüsse von Transistoren und Dioden.

    Tipps

    Die Anschlüsse sind nach ihrer Funktion benannt.

    Lösung

    Am Kollektor sammeln sich, wenn man die technische Stromrichtung betrachtet, die positiven Ladungsträger (die es so nicht gibt). Eine Sammlung nennt man auch Kollektion, so kannst du dir das gut merken.

    Sobald ein kleiner Basisstrom fließt, kann Strom durch den Transistor fließen und somit am Emitter den Transistor verlassen. Emission heißt übrigens auch Ausstoß.

    Obwohl sich die Ladungsbewegung am pnp-Transistor umdreht, bleiben die Begriffe gleich. Du musst dir hier also die Elektronenbewegung vorstellen, um auf die Begriffe zu kommen.

    Die Diode hat ihren Strich immer auf der Kathodenseite. Das ist der negativ dotierte Anschluss der Diode.

  • Entscheide, ob die Lampe leuchtet.

    Tipps

    Spielt es eine Rolle, ob die Diode vor oder hinter die Lampe geschaltet wird?

    Überlege, was passiert, wenn du Batterie und Diode nacheinander umpolst.

    Es wird eine Spannung innerhalb des normalen Betriebsbereiches der Diode verwendet.

    Lösung

    Da die Kathode der Diode an den Minus-Pol der Batterie angeschlossen ist, sperrt sie nicht.

    Schließen wir die Diode so an, dass sie sperrt, fließt im ganzen Stromkreis kein Strom. Es spielt also keine Rolle, in welcher Reihenfolge Lampe und Diode geschaltet werden.

    Wechseln wir die Polung der Batterie oder der Diode, leuchtet die Lampe in unserem Schaltkreis nicht mehr.

  • Beschreibe den Transistoreffekt.

    Tipps

    Mit dem Steuerstrom kann man den Transistor ansteuern.

    Der Arbeitsstrom ist der Strom des Stromkreises, in dem die Verbraucher betrieben werden.

    Lösung

    Der Transistoreffekt besagt, dass man mit einem kleinen Basisstrom einen großen Kollektorstrom bewirken kann.

    Dies beschreibt das Verhalten des Transistors als Verstärker.

    In der Elektrotechnik gibt man den zwei Stromkreisen, die mit dem Transistor gebildet werden, die Namen Steuerkreis und Arbeitskreis.

  • Nenne Anwendungen von Transistoren.

    Tipps

    In der Digitaltechnik wird der Transistor als Schalter verwendet.

    Wie wird der Transistor in der Analogtechnik verwendet?

    Lösung

    In der Digitaltechnik wird der Transistor als Schalter verwendet. Das heißt, er kann zwei verschiedene Zustände einnehmen. Entweder 1 oder 0. Das reicht in einem Computer aus, da er alle Informationen in sogenannten Bits speichern kann. Für jedes Bit benötigt der Computer einen Transistor, der einen der beiden Zustände einnimmt. Ein Byte ist ein Informationspaket, das meist aus 8 Bits besteht. Das heißt, ein Gigabyte besteht aus etwa 8 Milliarden winzigen Transistoren.

    In der Analogtechnik hingegen wird der Transistor zur Verstärkung von Signalen verwendet. Ein gutes Beispiel ist die Audiotechnik. Vielleicht hast du auch schon mal den Begriff Transistorradio gehört.

  • Untersuche, wie du mit einer Leuchtdiode, einem Widerstand und einer Batterie testen kannst, ob ein Transistor noch funktioniert.

    Tipps

    Eine Leuchtdiode (LED) funktioniert wie eine Diode, nur dass sie zusätzlich Licht emittiert. Sie leuchtet auch bei kleinen Stromstärken.

    Damit die LED und der Transistor nicht überlastet werden, werden in dem Stromkreis zwei Widerstände eingesetzt.

    Es sollen nicht die Anschlussstellen direkt miteinander verbunden werden.

    Lösung

    Um zu testen, ob der Transistor funktioniert, benötigen wir einen kleinen Basistrom. Diesen erreichen wir über die Verbindung an der Position 1. Durch den Basistrom müsste daraufhin durch Transistor und LED ein kleiner Kollektorstrom fließen und die LED daher schwach zum Leuchten bringen.

    Das für den Menschen Gefährliche an der Elektrizität sind hohe Ströme, die durch den Körper fließen. Bei geringen Spannungen fließt durch unsere Haut in der Regel nicht viel Strom, da die Haut einen sehr großen Widerstand besitzt Es ist also nicht gefährlich, Batterien mit Spannungen bis zu 10 V an beiden Polen zu berühren.

    Die Batteriepole mit den Fingern zu verbinden, ist zwar ungefährlich, da auch kein Kurzschluss verursacht wird, sagt aber nichts über den Transistor aus.

    Diode und Transistor sind in der Schaltung genau richtig gepolt.

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