Transistoren sind elektronische Halbleiter-Bauelemente, die zum Steuern oder Schalten von Spannungen und Strömen dienen. Das Wort Transistor leitet sich aus der Wortkombination „transfer“ und „resistor“ ab und bezeichnet die Eigenschaft von Transistoren, durch Widerstandsänderungen von Halbleiterschichten als steuerbare Widerstände zu fungieren. Heutzutage basieren diese Halbleiterschichten überwiegend auf dotiertem Silizium.
In aller Regel sind mit der Bezeichnung Transistor bipolare Transistoren gemeint, oft mit dem Kürzel BJT (bipolar junction transistor) versehen. Sie bestehen aus drei dünnen Halbleiterschichten, die direkt übereinanderliegen. Jede dieser Schichten besitzt einen elektrischen Anschluss, der aus dem Gehäuse herausgeführt ist. Diese Anschlüsse werden als Basis, Emitter und Kollektor (B, E, C) bezeichnet. Die Halbleiterstrecke Emitter-Kollektor bildet dabei den steuerbaren Strompfad, der über den Basis-Anschluss angesteuert wird. Das Anlegen eines verhältnismäßig kleinen Basisstroms beeinflusst die Leitfähigkeit der Kollektor-Emitter-Strecke, wobei die Leitfähigkeit des Transistors ohne Basisstrom nahe Null liegt und mit zunehmendem Steuerstrom ansteigt. Physikalisch vergleichbar ist das mit einem Ventil, das selbst nur sehr geringe Betätigungskräfte erfordert, jedoch große Volumenmengen zu steuern vermag. Der Faktor zwischen Basisstrom und Kollektor-Emitter-Strom wird als Stromverstärkung bezeichnet. Liegt der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors beispielsweise bei 100, so bewirkt ein Basisstrom von 1 mA einen Stromfluss von 100 mA in der Kollektor-Emitter-Strecke.
Grundsätzlich gilt: Je nach Reihenfolge der drei Halbleiterschichten werden Transistoren als NPN- oder PNP-Transistoren bezeichnet. Im Schaltbild sichtbar wird der Unterschied dieser beiden Typen durch den kleinen Pfeil am Anschluss des Emitters. Beim NPN-Transistor zeigt dieser nach außen, beim PNP-Transistor nach innen. Entsprechend eignen sich Transistoren vom Typ NPN für positive Spannungen, bei PNP-Transistoren sind die Polaritäten umgekehrt.
Darlington-Transistoren verschalten zwei normale Bipolartransistoren zu einer Vor- und Hauptverstärkerschaltung in einem einzigen Gehäuse. Damit kann eine wesentlich höhere Stromverstärkung erreicht werden, ohne dass eine weitere Außenbeschaltung erforderlich wird.
Sogenannte „Vorgespannte Transistoren“ integrieren einen Bias-Widerstand in ihrem Gehäuse. Damit wird eine definierte Basisspannung voreingestellt, um den Transistorarbeitspunkt in den gewünschten Bereich zu legen, beispielsweise für Audio- und Wechselspannungsanwendungen.
HF-Transistoren sind speziell für Hochfrequenz-Applikationen optimiert. Sie besitzen besonders kleine rückwirkende Kapazitäten und schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten.
Transistoren werden in einer Vielzahl von Gehäusebauformen angeboten; sowohl in SMD-Technik als auch für die konventionelle Durchsteckmontage (THT). Einzeltransistoren für kleinere Leistungen stecken meist in einem Kunststoffgehäuse. Leistungstransistoren müssen in aller Regel gekühlt werden, sie besitzen deshalb ein gut wärmeleitfähiges Metallgehäuse beziehungsweise eine metallische Grundplatte zur Ankopplung an einen Kühlkörper oder eine Kühlfläche.
Transistorarrays beinhalten zwei bis sieben Einzeltransistoren. Sie sind platzsparend und vereinfachen das Handling. Wie für viele andere Gehäusetypen auch, sind bei Conrad hierzu passende Stecksockel erhältlich. Ein später erforderlicher Austausch kann damit ohne Lötarbeiten erfolgen.
Gepaarte Transistoren, sogenannte „Abgestimmte Paare“, vereinigen zwei identische Transistoren in einem Gehäuse, deren elektrische Kennwerte sehr nahe beieinanderliegen.
Wird eine hohe Stromverstärkung benötigt, sind Darlington-Transistoren gut geeignet. In vielen Fällen kann damit auf eine separate Vor- und Hauptverstärkung samt zusätzlich erforderlicher Bauteile verzichtet werden. Beispielsweise für Audioanwendungen und mehrkanalige Verstärkerschaltungen stehen Transistoren als Abgestimmte Paare zur Verfügung. Diese selektierten Transistoren weisen geringe Abweichungen untereinander auf und sorgen für bestmögliche Linearität im Parallelbetrieb. Für höhere Frequenzen eignen sich HF-Transistoren durch ihre speziellen Eigenschaften in besonderem Maße.
Transistor-Arrays ermöglichen die Entwicklung kompakterer Schaltungen als bei ausschließlicher Verwendung von Einzeltransistoren. Speziell für kleinere Leistungen stellen sie eine vorteilhafte und platzsparende Lösung dar, die auch in der Fertigung beim Bestückungs- und Lötvorgang Vorteile bringt.
Nicht verwechselt werden dürfen bei allen Arten und Bauformen die Bezeichnungen NPN und PNP, denn beide Transistortypen sind nicht untereinander austauschbar. Der Verstärkungsfaktor des Transistors ist eine wichtige Kenngröße, er soll möglichst genau zur vorgesehenen Aufgabe passen, ebenso muss die Verstärkungsbandbreite ausreichen. Um einen Transistor innerhalb des sicheren Arbeitsbereichs zu betreiben, stehen im jeweiligen Datenblatt die hierfür erforderlichen Informationen zur Verfügung.
Bei Neuentwicklungen von Schaltungen sollte immer ein genaues Augenmerk auf die jeweiligen elektrischen Werte gemäß Datenblatt gelegt werden, um das am besten zur Aufgabe passende Transistormodell auszuwählen. Die Belastbarkeit von Transistoren nicht bis zum Limit auszureizen, bringt Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und langfristige Funktionssicherheit. Ein Einsatz in anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen erfordert die Beachtung des zulässigen Temperaturbereichs und macht ein eventuell daraus erforderliches Derating in warmer Umgebung erforderlich. Wählen Sie in diesen Fällen einen Transistor mit entsprechenden Leistungsreserven.
Muss ein defekter Transistor ausgetauscht werden, sollte möglichst der identische Typ verwendet werden. Ist dieser nicht mehr lieferbar, gibt es Vergleichstabellen, mit deren Hilfe in aller Regel ein elektrisch kompatibler Transistor gefunden werden kann. Beachtung verdient zudem die Gehäusebauform: Stimmt das Rastermaß bei bedrahteten Typen beziehungsweise Position und Größe der Lötpads bei SMD-Transistoren? Ist das Gehäuse selbst kompatibel zum vorhandenen Platzangebot und eventuell vorhandenen Kühlkörpern sowie Montagebohrungen?
Achten Sie auf womöglich erforderliche Prüfzeichen und die Konformität zu geforderten Normen. Die im Shop von Conrad angebotenen Transistoren zeichnen sich durch Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus und erfüllen hohe Qualitätsansprüche.
Was ist beim Umgang und bei der Verarbeitung von Transistoren zu beachten?
Wie die meisten elektronischen Halbleiter-Bauelemente, sind Transistoren durch elektrostatische Entladungen gefährdet. Die Entnahme aus der Verpackung und alle folgenden Handhabungs- und Verarbeitungsschritte müssen daher unter Einhaltung der einschlägigen ESD-Richtlinien erfolgen, um Beschädigungen zu vermeiden. Wichtig ist daneben die Einhaltung der maximal zulässigen Löttemperatur sowie der Lötdauer, um Überhitzungsschäden zu verhindern.
Welche maximalen Betriebstemperaturen vertragen Transistoren?
Bei den heute gebräuchlichen Siliziumtransistoren darf, je nach Typ, eine Sperrschichttemperatur von 150 bis 200 °C nicht überschritten werden. Höhere Temperaturen führen entweder zur sofortigen Zerstörung oder beschleunigen die Alterung extrem. Die zulässigen elektrischen Werte laut Datenblatt beziehen sich meist auf einen Betrieb bei 25 °C Umgebungstemperatur. Höhere Umgebungstemperaturen bedingen ein Derating, hierzu finden sich entsprechende Diagramme im Datenblatt.
Können Transistoren kurzzeitig elektrisch überlastet werden?
Ein auch nur kurzzeitiger Betrieb oberhalb der spezifizierten Spannungswerte ist nicht zulässig. Ebenso dürfen weder die zulässigen Ströme noch die maximale Verlustleistung überschritten werden. Der nicht beeinflussbare thermische Widerstand zwischen Halbleiterplättchen und Gehäuse würde selbst bei guter äußerer Kühlung zu einem unzulässigen Temperaturanstieg des eigentlichen Halbleiters führen.