Was ist eigentlich… ein Transistor?

Ich genieße die heißen hochsommerlichen Tage an der frischen Luft, daher heute nur ein ganz kurzer und knackiger Artikel aus der Reihe: “Jetzt stellen wir uns mal janz dumm und fragen uns…”:

Was ist überhaupt ein Transistor?

Kurz und bündig: Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil, das als Schalter oder als Verstärker genutzt werden kann. Er besitzt drei Anschlüsse (Kollektor, Basis und Emitter). Die beiden äußeren Anschlüsse werden in einen Stromkreis eingebracht. Wird nun an den mittleren Anschluss ein Strom / eine Spannung angelegt, so leitet der Transistor und schließt den äußeren Stromkreis. Liegt keine Spannung an der Basis an, so leitet der Transistor nicht und der Stromkreis ist unterbrochen – der Transistor wirkt als Schalter. Über die Höhe der anliegenden Spannung kann weiterhin auch die Stärke des durchfließenden äußeren Stroms linear gesteuert werden – damit funktioniert der Transistor ebenfalls als Verstärker eines Signals (Transistorradio, Gitarrenverstärker etc.)

Ich wills aber genauer wissen…

Der Vorgänger des Transistors war die Elektronenröhre. Hier werden im Vakuum und unter hoher Spannung, und somit hoher Temperatur, Elektronen aus der Katode emitiert und von der Anode wieder aufgenommen, ein dazwischen befindliches Metallgitter steuert über eine daran angelegte Spannung die Stärke des Elektronenflusses. Ein Transistor besteht dagegen aus einem Halbleitermaterial, meist Silizium. Er benötigt im Gegensatz zur Röhre kein Vakuum, keine hohe Temperatur und keine hohe Betriebsspannung, und kann dadurch deutlich kompakter gebaut werden. Das Halbleitermaterial wird unterschiedlich dotiert, es werden also Fremdatome in die Silizium-Kristallstruktur eingebracht und damit Anzahl und Verhalten der freien Elektronen im Material und somit die Leitfähigkeit beeinflusst. Der Transistor wird nun aus drei Schichten des Halbleitermaterials konstruiert, die entweder in pnp- oder npn-Reihenfolge dotiert sind (positiv-negativ-positiv bzw. umgekehrt). Wird nun an die mittlere Sperrschicht eine positive oder negative Spannung angelegt – und somit ein Elektronenüberschuss bzw. -mangel in der Sperrschicht erzeugt – so ändert sich deren Leitfähigkeit signifikant und der Stromfluss zwischen den äußeren Schichten, die mit Emitter und Kollektor verbunden sind, kann über den an der Basis anliegenden Strom gesteuert werden.

Der Transistor als elektronischer Schalter ist das Grundelement fast aller logischer digitalen Schaltungen. Durch die schichtweise Konstruktion auf einer Silizium-Basisplatte (dem sogenannten Wafer) können Transistoren inzwischen in unvorstellbar kleiner Weise gebaut werden, ein einzelner Transistor liegt heute im Nanometer-Bereich. Auf einem Computerchip aus den 80er Jahren, wie etwa dem 8086 von Intel, befinden sich rund 30 Tausend Transistoren, auf einem Intel Pentium- oder AMD Athlon-Prozessor bereits mehrere Millionen.