Grundlagen zu Transistoren: NPN- und PNP-Transistoren am Beispiel der Modelle 2N3904, 2N3906, 2N2222 und 2N2907

Von John LeDuc

Zur Verfügung gestellt von Digi-Key Electronics

Der erste funktionsfähige Transistor wurde bereits vor 70 Jahren präsentiert, und zwar am 23. Dezember 1947!1 Der Transistor zählt vermutlich zu den revolutionärsten Komponenten, die je erfunden wurden. Er machte den Weg frei für integrierte Schaltungen, Mikroprozessoren und Speicherlösungen für Computer.

In diesem Artikel werden wir auf folgende Punkte eingehen:

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Was ist ein Transistor?

Bei einem Transistor, auch bekannt unter der Bezeichnung Bipolartransistor, handelt es sich um einen stromgesteuerten Halbleiterbaustein, der zur Steuerung des elektrischen Stromflusses verwendet werden kann. Hierbei steuert ein kleiner Strom am Basisanschluss einen größeren Strom zwischen Kollektor und Emitter. Transistoren können zur Verstärkung schwacher Signale, als Oszillatoren oder als Schalter verwendet werden.

Für Transistoren wird üblicherweise kristallines Silizium verwendet, wobei N- und P-leitende Schichten im Sandwichverfahren miteinander verbunden werden. Siehe Abbildung 1 unten.

Schnittbild eines 2N3904 TO-92 und N- und P-leitende Schichtebenen

Abbildung 1: Abbildung 1a zeigt das Schnittbild eines Silizium-Transistors 2N3904 TO-92 mit Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) sowie ihrer Verbindung mit dem Silizium. Abbildung 1b stammt aus der Zeitschrift Radio-Electronics2 vom Mai 1958. Sie zeigt einen Germanium-Transistor mit N- und P-leitenden Schichtebenen und ihre Anordnung.

Transistoren sind hermetisch abgedichtet und in Kunststoff oder einem Metallgehäuse mit drei Anschlüssen eingeschlossen (Abbildung 2).

Verschiedene verbreitete Gehäusetypen im Größenvergleich

Abbildung 2: Eine Auswahl verbreiteter Gehäusetypen im Größenvergleich.

Wie funktioniert ein Transistor?

Im Folgenden wird die Funktionsweise eines Transistors am Beispiel eines NPN-Transistors erläutert. Die Funktionsweise eines Transistors als Schalter lässt sich am Beispiel eines Rohrs mit einem Ventil verdeutlichen, durch das Wasser fließt. Der Wasserdruck steht für die „Spannung“ und das fließende Wasser für den „Strom“ (Abbildung 3). Die großen Rohre stellen die Kollektor-Emitter-Strecke mit einem zwischengeschalteten Ventil (graues Oval in der Abbildung) dar, das wie eine bewegliche Klappe funktioniert. Diese Klappe wird über den von einem kleinen Rohr (der Basis) kommenden Strom betätigt. Das Ventil verhindert, dass das Wasser vom Kollektor zum Emitter fließen kann. Fließt Wasser durch das kleinere Rohr (die Basis), wird das Ventil in der Kollektor-Emitter-Strecke geöffnet. Wasser kann dann durch das Ventil zum Emitter und weiter zur Masse (das Ziel für das gesamte Wasser bzw. Spannung/Strom) fließen.

Darstellung der Funktionsweise eines Transistors

Abbildung 3: Diese grafische Darstellung zeigt die Funktionsweise eines Transistors. Fließt Wasser durch das kleinere Rohr (Basis), wird das Ventil in der Kollektor-Emitter-Strecke geöffnet. Wasser kann dann über den Emitter zur Masse fließen.

Wahl des passenden Transistors für Ihre Anwendung

Wenn Sie den Transistor einfach als Schalter für einen Schaltkreis oder eine Last verwenden möchten, sollten Sie bestimmte Punkte berücksichtigen. Legen Sie fest, ob Sie den Transistorschalter mit einem positiven oder einem negativen Strom ansteuern möchten (d. h., ob Sie einen NPN- bzw. einen PNP-Transistor verwenden möchten). Ein NPN-Transistor wird über einen positiven Strom an der Basis angesteuert (oder durchgeschaltet), um den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter zu steuern. PNP-Transistoren werden über einen negativen Strom an der Basis angesteuert, um den Stromfluss vom Emitter zum Kollektor zu steuern. (Beachten Sie, dass die Polarität beim PNP-Transistor im Vergleich zum NPN-Transistor umgekehrt ist.) Weitere Informationen können Sie Abbildung 4 unten entnehmen.

Schaltplan-Symbole der Transistortypen

Abbildung 4: Die Schaltplan-Symbole der einzelnen Transistortypen.

Nach der Festlegung der Vorspannung werden als Nächstes die Spannung und der Strom zum Betrieb der Last benötigt. Hierbei handelt es sich um die minimale Nennspannung und den minimalen Nennstrom des Transistors. In den nachstehenden Tabellen 1 und 2 sind einige häufig verwendete Transistoren und die wichtigsten Spezifikationen einschließlich der Spannungs- und Stromgrenzen aufgeführt.

Transistoren, NPN und PNP, bedrahtet und Oberflächenmontage  Transistoren, NPN und PNP, bedrahtet und oberflächenmontiert

Teilenummer Typ Max. Kollektor-Emitter-Spannung (Vce) Max. Kollektorstrom Ic mA Gleichstromverstärkung (hFE) (min.) bei Ic, Vce Max. Leistung mW 2N-/MMBT-Anschlüsse für mehrere Stromversorgungen**
TO-92, bedrahtet SOT-23, Oberflächenmontage
2N3904 MMBT3904 NPN 40 200 100 bei 10 mA, 1 V 625/350* 3904
2N4401 MMBT4401 NPN 40 600 100 bei 150 mA, 1 V 625/350* 4401
2N5089 MMBT5089 NPN 25 50 400 bei 100 μA, 5 V 625/350* 5089
2N3906 MMBT3906 PNP 40 200 100 bei 10 mA, 2 V 625/350* 3906
2N4403 MMBT4403 PNP 40 600 100 bei 150 mA, 1 V 625/350* 4403
2N5087 MMBT5087 PNP 50 50 250 bei 100 μA, 5 V 625/350* 5087
*für SOT-23-Gehäuse
**Spezifikationen können variieren – siehe Datenblatt

Tabelle 1 Häufig verwendete NPN- und PNP-Transistoren mit Bedrahtung und zur Oberflächenmontage.

Transistoren, NPN und PNP, MetallgehäuseTransistoren, NPN und PNP, Metallgehäuse

Teilenummer Typ Max. Kollektor-Emitter-Spannung (Vce) Max. Kollektorstrom Ic mA Gleichstromverstärkung (hFE) (min.) bei Ic, Vce Max. Leistung mW 2N-Anschlüsse für mehrere Stromversorgungen**
TO-18 TO-39
-- 2N2219A NPN 40 800 100 bei 150 mA, 10 V 800 2219A
2N2222A -- NPN 40 800 100 bei 150 mA, 10 V 500 2222
-- 2N2905A PNP 60 600 100 bei 150 mA, 10 V 600 2905
2N2907A -- PNP 60 600 100 bei 150 mA, 10 V 400 2907A
**Spezifikationen können variieren – siehe Datenblatt

Tabelle 2 Häufig verwendete NPN- und PNP-Transistoren mit Metallgehäuse.

Beispiele für Transistorschaltkreise

Abbildung 5 unten zeigt ein Beispiel für einen Schaltkreis, bei dem die Kollektor-Emitter-Strecke leitfähig wird, indem an die Basis über einen Schiebeschalter eine Vorspannung von 5 Volt angelegt wird. Bei diesem Beispiel wird eine LED zum Leuchten gebracht, die in diesem Fall die Last darstellt. Die korrekte Verwendung von Widerständen ist beim Anlegen einer Vorspannung an die Basis unerlässlich, um den Transistor vor Überspannungen zu schützen. Um meinen Beispielschaltkreis zu testen, habe ich Bausteine mit Bedrahtung auf einer Lochrasterplatine verwendet. Die meisten Entwickler werden oberflächenmontierbare Bausteine (sehr viel kleiner als TO-92-Gehäuse) verwenden, wenn in einem neuen Produkt Transistoren zum Einsatz kommen. Über diesen Link können Sie sich verschiedene Gehäusegrößen für 3904-Transistoren anzeigen lassen.

Da es sich beim 2N3904 um einen NPN-Transistor handelt, muss an der Basis eine positive Vorspannung anliegen (Spannungspegel und Widerstand sind passend zu wählen), damit über die Kollektor-Emitter-Strecke ein angemessener Stromfluss stattfindet. Die Verwendung eines Lastwiderstands (R1) ist ebenfalls wichtig, damit nicht zu viel Strom durch LED und Transistor geleitet wird. Weitere Informationen zu diesem Transistor finden Sie im Datenblatt zum 2N3904.

Beispielschaltkreis mit dem 2N3904 zum Einschalten einer LED mit einem EG1218 Schiebeschalter

Abbildung 5: Beispielschaltkreis mit dem 2N3904 zum Einschalten einer LED mit einem EG1218 Schiebeschalter (gezeichnet in Scheme-it). Ebenfalls zu sehen ist der Transistor mit den Pins C (Kollektor), E (Emitter) und B (Basis).

Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für einen Nachtlicht-Schaltkreis unter Verwendung eines PNP-Transistors. Details zu diesem Schaltkreis finden Sie in der Entwickler-Wiki von Digi-Key, wenn Sie nach „PNP Night Light“ suchen.

Beispiel für einen Nachtlicht-Schaltkreis mit dem 2N3906 zum Einschalten einer LED mit einer PDV-P5003 Fotozelle

Abbildung 6: 2N3906: Beispiel für einen Nachtlicht-Schaltkreis beim Einschalten einer LED mit einer PDV-P5003 Fotozelle (gezeichnet in Scheme-it)

Geschichte der Entwicklung des Transistors

Wie hat alles begonnen? Hierfür muss man weit ausholen. Lassen Sie mich mit der Erfindung des Telefons beginnen. Es gibt verschiedene Meinungen dazu, von wem der erste funktionierende elektrische Prototyp tatsächlich erfunden wurde. Das erste Patent jedoch wurde von Alexander Graham Bell am 7. März 18763 angemeldet, dem Mann, der später das Telekommunikationsunternehmen American Telephone and Telegraph (AT&T) gründen sollte. Um 18941 herum jedoch erlosch Bells Patent. Obwohl AT&T diese Branche bis in die frühen 1900er Jahre dominierte, wurden andere Unternehmen gegründet, an die AT&T Kunden verlor. Aus diesem Grund kam das Unternehmen zu dem Schluss, dass es seine Dominanz behaupten und expandieren musste. Im Jahr 1909 wollte Theodore Vail1, President von AT&T, die transkontinentale Telefonie verwirklichen (von New York nach Kalifornien). Hierfür benötigte das Unternehmen jedoch einen guten Verstärker oder Repeater, um die Signale für diese langen Übertragungsstrecken entsprechend zu verstärken. Bereits 1906 hatte Lee De Forest eine Idee von John A. Fleming aufgegriffen, der auf der Basis der Arbeit von Thomas Edison eine Röhrendiode gebaut hatte, das sogenannte „Schwingungsventil“, das zur Erfassung von Funkwellen verwendet wurde. Er modifizierte diese Röhrendiode und entwickelte so die Triode, eine ineffiziente Vakuumröhre mit drei Anschlussklemmen, die als Verstärker verwendet werden konnte. Forest wurde 1912 von Harold Arnold von der Western Electric Company (der Hersteller für AT&T) eingeladen, um seine Erfindung vorzustellen. Obwohl Forests Triode für niedrige Spannungen funktionierte, musste sie für die Anforderungen von Arnold auch für höhere Spannungen funktionieren, um wirksame Repeater zur Sprachübertragung über große Entfernungen zu erhalten. Arnold war davon überzeugt, eine bessere Triode bauen zu können. Er stellte daher Wissenschaftler ein, um die Funktionsweise der Komponente zu verstehen und sie zu verbessern. Im Oktober 1913 wurden seine Bemühungen von Erfolg gekrönt. Kurze Zeit später wurden überall Telefonleitungen installiert. Die über die Jahre hinweg in die Beschäftigung von Top-Wissenschaftlern getätigten Investitionen ließen AT&T erkennen, dass sich das Unternehmen durch tiefgründige Forschung einen Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz verschaffen konnte, woraufhin 1925 die „Bell Telephone Laboratories“ gegründet wurden.

Viele tausend Elektronenröhren und Relais wurden benötigt, um die Telefonleitungen am Laufen zu halten. Elektronenröhren benötigten jedoch viel Strom, waren groß und brannten häufig durch. Nachdem er die Technologie des im Zweiten Weltkrieg für Radaranlagen entwickelten Kristallgleichrichters verstanden hatte, beschlich Mervin Kelly, Bells Forschungsleiter, eine Ahnung, dass Halbleiter (Festkörperbauelemente) die Antwort zur Entwicklung einer Komponente sein könnten, mit der man die kostspieligen, unzuverlässigen Elektronenröhren ersetzen könnte. Kelly wandte sich an William Shockley, einen seiner brillanten Physiker, und erläuterte ihm seine Vision zur Verbesserung der Komponenten, die zur kabelgebundenen Sprachübertragung verwendet wurden. Kelly äußerste sich dahingehend, dass er froh wäre, wenn die lauten mechanischen Relais und die stromfressenden Elektronenröhren eines schönen Tages durch elektronische Festkörperbauelemente ersetzt werden könnten. Shockley nahm sich das zu Herzen und Kellys Wunsch wurde zu seinem primären Ziel. Kelly übertrug Shockley die Verantwortung zur Realisierung dieses Ziels.

Shockley war zwar ein brillanter Theoretiker, konnte seine Ideen jedoch nicht gut in die Praxis umsetzen. Shockley hatte mehrmals versucht, eine Annahme im Zusammenhang mit dem Feldeffekt-Transfer von Elektronen zu beweisen. Er wollte zwei Seiten eines Halbleiters miteinander verbinden, indem er durch eine Platte über den Halbleitern einen Strom fließen lies. Seine Bemühungen waren jedoch nicht von Erfolg gekrönt. Frustriert wandte er sich an zwei andere Physiker in den Bell-Laboratorien, John Bardeen (brillant auf dem Gebiet der Elektronentheorie für Halbleiter) und Walter Brattain (großartig bei der Anfertigung von Prototypen und im Umgang mit Laborgeräten). Sie wurden Bestandteil seines Teams. Shockley gestattete den beiden, eigenständig zu arbeiten. Im Lauf der Jahre wurden zahlreiche erfolglose Versuche unternommen, den Feldeffekt zu nutzen. Sie gingen ihre Berechnungen nochmals durch und theoretisch hätte alles funktionieren müssen Bardeen und Brattain begannen daraufhin, unkonventionell zu denken und mit dünnen Schichten aus Silizium-und Germanium zu experimentieren, um eine Lösung zu finden. Im Herbst 1947 gab es Anzeichen für einen Fortschritt, als Brattain Probleme mit kondensierendem Wasser auf der Oberfläche des Halbleiters hatte. Statt die Oberfläche abzutrocknen, gab er einen Wassertropfen auf das Silizium, lies einen Strom durch die darüberliegende Platte fließen und bemerkte einen Verstärkungseffekt. Der Wassertropfen half, die Barriereschicht zu überwinden, wodurch der Elektronenfluss ermöglicht wurde. Diese Anordnung war jedoch träge und nicht in der Lage, Sprachsignale für eine erfolgreiche Sprachübertragung einwandfrei zu verstärken.

Im Dezember 1947 (dem „Wundermonat“) dachten sie darüber nach, die Lücke des Feldeffekts zu schließen, das Wasser zu entfernen und am Halbleiter einen Goldkontakt anzubringen. Beim Material stiegen sie auf Germanium um, das zur damaligen Zeit leichter zu bearbeiten war, und isolierten es mit einer dünnen Oxidschicht, die sich auf Germanium auf natürliche Weise bildet. Es folgten eine Vielzahl erfolgloser Versuche. Mitte Dezember passierte es plötzlich, dass Walter Brattain – ganz offensichtlich aus Versehen – die Oxidschicht abwusch, sodass der Goldkontakt das Germanium direkt berührte. Bingo!!! Er hatte eine gute Verstärkung erzielt und der Transistor funktionierte. Statt Elektronen an die Oberfläche des Halbleiters zu ziehen, wie von Shockleys Feldeffekt-Ansatz theoretisch gefordert, hatten Brattain/Bardeen entdeckt, dass beim Kontakt des Halbleiters mit einem Goldkontakt Defektelektronen (auch „Löcher“ genannt) in den Halbleiter injiziert werden, wodurch ein Stromfluss ermöglicht wird. Etwa Mitte Dezember 1947 begannen die beiden ohne Shockleys Wissen mit der Anfertigung eines betriebsfähigen Prototypen. Brattain baute eine Vorrichtung in der Form eines Kunststoffdreiecks mit Goldfolie entlang der abgeschrägten Kanten. An der nach unten zeigenden Dreiecksspitze machte er einen hauchdünnen Schlitz in die Goldfolie. Es war ein überaus grober Prototyp. Sie verwendeten eine zu einer Art Feder geformte Büroklammer, um das Dreieck in die dünne, auf einer dünnen Kupferplatte liegende Germanium-Halbleiterschicht zu drücken. An den oberen linken und rechten Ecken des Dreiecks befanden sich zwei Anschlusskontakte. Die Kupferplatte unter der Schicht aus Germanium diente sozusagen als 3. Anschluss (Abbildung 7). Das Ergebnis war der sogenannte Spitzenkontakttransistor.

Brattain und Bardeen riefen Shockley, um ihm die gute Nachricht zu verkünden. Meine Recherchen haben ergeben, dass Shockley die Neuigkeit mit gemischten Gefühlen aufnahm. Einerseits war er glücklich, dass die Anordnung funktionierte, andererseits jedoch war er enttäuscht, dass nicht er selbst diese Entdeckung gemacht hatte. Eine Woche später, am 23. Dezember 1947, wurde das Ergebnis Shockleys Vorgesetzten präsentiert. Die öffentliche Bekanntmachung folgte am 30. Juni 1948. Später wurde ein Foto für die Geschichtsbücher aufgenommen (Abbildung 8). Shockley wusste, dass die Fertigung des fragilen Punktkontakttransistors nicht einfach sein würde und er ging völlig darin auf, die Komponente in Eigenregie weiter zu verbessern. Shockley versuchte fieberhaft, das Problem auf seine Weise zu lösen. Er dokumentierte seine Versuche, die Komponente durch das schichtweise Anordnen der Halbleitermaterialien kompakter zu gestalten. Um ein Patent für den Flächentransistor einreichen zu können (Einreichung am 25. Juni 1948), war noch sehr viel mehr Forschungsarbeit erforderlich. Ein funktionsfähiger NPN-Flächentransistor wurde am 20. April 1950 vorgestellt (ermöglicht durch die Arbeit von Gordon Teal und Morgan Sparks). Die Details hierzu sind sehr viel tiefgreifender, als man sich vorstellen kann4.

Am 10. Dezember 1956 wurden William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain für die Entdeckung des Transistoreffekts mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Punktkontaktkondensator

Abbildung 7: Punktkontaktkondensator (Verwendung mit Genehmigung der Nokia Corporation)

John Bardeen (links), William Shockley (Mitte) und Walter Brattain (rechts)

Abbildung 8: John Bardeen (links), William Shockley (Mitte) und Walter Brattain (rechts) (Verwendung mit Genehmigung der Nokia Corporation)

Verwendete Literatur

  1. Riordan, Michael and Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
  2. Ryder, R.M. 1958. „Ten years of Transistors“, Radio-Electronics Magazine, Mai, Seite 35.
  3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. „ALEXANDER GRAHAM BELL“. Abgerufen am 19. Dez. 2017.
  4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson, and Conyers Herring. 1999. „The Invention of the Transistor“, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

Zusätzliche Informationen unter folgendem Link: http://www.pbs.org/transistor/

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Über den Autor

John LeDuc

John LeDuc, Digital Business Project Manager bei Digi-Key Electronics, begann seine Karriere 1984 mit der Unterstützung von Digi-Key-Kunden bei technischen Fragen sowie mit der Prüfung und Aufnahme von Produkten in unseren Katalog. Er spezialisierte sich auf den Support zum Tiny-Basic-Demoboard INS8073 von National Semiconductor. Jetzt optimiert John das digitale Benutzererlebnis unserer Technikkunden, indem er außergewöhnliche Ideen zur Verbesserung unseres Internetauftritts sammelt und entwickelt. Er besitzt einen Abschluss als Associate in Elektroniktechnologie und schlägt sich in seiner Freizeit die Nächte mit dem Basteln an Elektronik und dem Erarbeiten einzigartiger Modelle mit seinem 3D-Drucker um die Ohren.

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Digi-Key Electronics mit Sitz in Thief River Falls, Minnesota (U.S.A.), ist ein globaler Komplettanbieter von Elektronikbauteilen in Prototyp-, Design- und Produktionsstückzahlen und bietet mehr als sechs Millionen Produkte von mehr als 750 Markenherstellern über seine Digi-Key-Website an.