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Grundlagen der HiFi-Technik VI (6)

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Transistoren - die Aktivisten der Elektronik

Die in den bisherigen Folgen behandelten Bauelemente haben trotz großer Unterschiede in ihrer Funktion eines gemeinsam: Alle besitzen nur jeweils zwei Anschlüsse. Die Kenngrößen dieser Bauteile bestimmen den Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und fließendem Strom.

Dem Widerstand ist es egal, ob er Gleich- oder Wechselspannung verarbeiten soll. Die Stromstärke hängt allein vom Widerstandswert ab. Frequenzabhängig setzt die Spule dem Strom ihre Reaktanz mehr oder weniger hemmend entgegen. Je tiefer die Frequenz und je niedriger die Induktivität, desto höher der Strom.

Ebenfalls frequenzabhängig verhält sich der Kondensator. Er leitet um so besser, je höher die Werte von Frequenz und Kapazität liegen.

Dioden schließlich sind bezüglich der Polarität sehr wählerisch. Sie lassen den Strom nur in einer Richtung fließen.

Der Transistor - ein regelbarer Widerstand

Aktive elektronische Bauelemente können im Gegensatz zu den bisher beschriebenen passiven Bauteilen ihre Stromleitfähigkeit verändern. Der heute am meisten verbreitete Vertreter der aktiven Gattung ist der Transistor. Diese Bezeichnung ist aus zwei englischen Wörtern zusammengezogen: to transfer = übertragen, resistor = Widerstand.

Diese dreibeinigen Stromverstärker wirken ähnlich wie ein Relais. Mit geringer Steuerleistung am Eingangsanschluß gefüttert, können sie am Ausgang große Ströme und Spannungen schalten. Während das Relais aber nur zwei Zustände - Ein oder Aus - kennt, gibt es beim Transistor auch Zwischenstadien. Der zwischen den Hauptanschlüssen Kollektor und Emitter fließende Strom ist immer um einen bestimmten Faktor größer als der in den dritten Anschluß - die Basis - fließende Steuerstrom.

Der Aufbau eines Transistors

Ein einfacher Transistor sieht so aus: Zwischen zwei N-dotierten - das heißt künstlich mit Elektronen (negativ geladenen Teilchen) überfüllten - Enden eines Siliziumstäbchens liegt ein P-dotiertes Gebiet. So ergibt sich eine NPN-Zonenfolge, deren Wirkung durch das Zusammenspiel der P/N-Übergänge bestimmt wird.

Liegt am P-Anschluß - das ist die Basis des Transistors - positive Spannung gegenüber einem der N-Anschlüsse, dann läßt der dazwischen befindliche P/N-Übergang genau wie eine gewöhnliche Diode ab einer gewissen Schwellenspannung Strom fließen. Aus dem N-Gebiet dringen dabei Elektronen in die P-dotierte Basiszone ein. Das N-Gebiet, das Ladungsträger aussendet, nennen Elektroniker Emitter (lat. emittere = aussenden).

Die vom Emitter in die Basiszone gelangten Elektronen rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern und schaffen so Platz für die immer weiter nachströmenden Elektronen. Neue Löcher entstehen durch Abwandern negativer Ladungsträger aus der Basis zum dort angeschlossenen Batteriepluspol. Sobald am anderen N-Anschluß des Transistors höhere positive Spannung liegt, rekombinieren nicht mehr alle vom Emitter ausgesandten Ladungsträger in der sehr schmalen Basiszone. Das stärkere elektrische Kollektor-Basis-Feld (lat. colligere = sammeln) zieht sehr viele aus der Basis ab. Der Faktor, um den sich Kollektor- und Basisstrom unterscheiden, nennt sich Stromverstärkung des Transistors. Je höher der Basisstrom, desto mehr der vom Emitter stammenden Ladungsträger wandern aus der Basiszone zum Kollektor ab. Der Basisstrom steuert also den wesentlich größeren Kollektorstrom.

NPN- und PNP-Typen

Neben dem Aufbau mit der Schichtenfolge NPN im Halbleitermaterial gibt es auch Transistoren, die spiegelbildlich - als PNP-Typen - konstruiert sind. Der Emitter liefert statt der Elektronen Löcher - also positive Ladungsträger - in die an negativer Spannung liegende Basis. Auch der Kollektor ist beim PNP-Transi-stor gegenüber dem Emitter negativ gepolt, um die positiven Ladungsträger aus der Basis einfangen zu können.

Sowohl beim NPN-Transistor als auch beim PNP-Transistor sind am Stromfluß Ladungsträger beider Polaritäten beteiligt. In den N-Gebieten übernehmen Elektronen den Stromtransport, in den P-Ge-bieten sind es die Löcher. Daher sprechen Techniker von Bipolartransistoren, wenn sie PNP- oder NPN-Typen meinen (bi = lateinische Vorsilbe für „zwei").

Umgekehrt geht es auch - Inversbetrieb

Wegen der symmetrischen Schichtenfolge - NPN rückwärts gelesen ergibt wieder NPN, ebenso geht das bei PNP - lassen sich bei Bipolartransistoren Kollektor-und Emitteranschluß in der Schaltung theoretisch vertauschen. Ein auf diese Art umgedreht eingebauter Transistor (Invers-Betrieb) erfüllt allerdings in der Praxis nur noch eingeschränkt seinen Zweck.

Die Ursache ist, daß zwecks Optimierung der Transistoreigenschaften Kollektor und Emitter unterschiedlich geformt sind. Der Kollektor besitzt meist die größere Fläche, damit er möglichst viele Ladungsträger aus der Basis einfangen kann. Das ergibt eine hohe Stromverstärkung und macht den Aufbau trotz symmetrischer Schichtenfolge unsymmetrisch.

Beim Betrieb mit vertauschten Emitter- und Kollektoranschlüssen reduziert sich die Stromverstärkung gegenüber dem Normalbetrieb. Ebenso leidet auch eine andere Kenngröße: Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter anliegen darf, ohne daß der Transistor ähnlich wie eine Diode infolge Sperrschichtdurchbruch seinen Geist aufgibt, ist geringer als bei Betrieb mit korrekt gepolten Anschlüssen.

Eine andere Eigenschaft des Transistors erfährt durch den Inversbetrieb jedoch eine erfreuliche Verbesserung. Im völlig durchgesteuerten Zustand - also bei maximalem Kollektorstrom - ist die Kollektor-Emitter-Strecke des „normal" betriebenen Transistors nicht etwa ein Kurzschluß, sondern besitzt noch eine Restspannung. Diese ist ähnlich wie bei der Diode nötig, damit überhaupt Strom fließt. Die Restspannung beim Transistor liegt in der Größenordnung von etwa 0,2 Volt. Vertauscht man Emitter und Kollektor, dann verringert sich die Restspannung drastisch bis auf Werte von weniger als 10 Millivolt.

Derart eingesetzte Transistoren schalten mit genauso niedriger Restspannung wie ein mechanischer Kontakt. Sie erledigen die Schaltvorgänge jedoch gleichzeitig wesentlich präziser und schneller als dieser: Das durch Aufeinanderprallen der beiden Hälften eines mechanischen Kontakts beim Schließen entstehende Kontaktprellen entfällt beim Transistor.

Kanalisierter Strom - Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren - abgekürzt FET - lassen sich in Schaltungen ähnlich einsetzen wie ihre PNP- und NPN-Brüder von der bipolaren Zunft. Statt Kollektor und Emitter gibt es bei den FETs Drain (Senke) und Source (Quelle). Diese beiden Anschlüsse sind untereinander durch den „Kanal" verbunden wie Mittelmeer und Rotes Meer per Suezkanal. Der Kanal besteht aus Halbleitermaterial, das entweder vollständig N-dotiert oder vollständig P-dotiert ist. Da sich am Stromfluß durch den Kanal also nur Ladungsträger einer Polarität beteiligen - Löcher beim P-Kanal-Typ und Elektronen beim N-Kanal-Typ -, heißen FETs auch Unipolartransistoren (vom lateinischen unus = eins).

Die Funktionsweise eines FETs

Der Name Feldeffekttransistor beschreibt die Funktionsweise dieses Bauelements: Eine Isolierschicht trennt den Kanal vom Steueranschluß, dem Gate (Tor). Die zwischen Gate und Source anliegende Spannung beeinflußt die Leitfähigkeit des Kanals - also den zwischen Drain und Source wirksamen Widerstand.

Liegt das Gate beim N-Ka-nal-FET an negativer Spannung gegenüber der Source, so drängt das zwischen Kanal und Gate entstehende elektrische Feld die als bewegliche Ladungsträger im Kanal vorhandenen Elektronen von der Gate-Elektrode weg. Dadurch verengt sich der für den Stromfluß zur Verfügung stehende Kanalquerschnitt.

Genau wie ein zusammengequetschter Wasserschlauch dem fließenden Wasser Widerstand entgegensetzt, so daß es am Ende des Schlauches nur noch tröpfelt, steigt auch der elektrische Widerstand des Kanals beim Feldeffekttransistor, und der Drain-Source-Strom verringert sich. Ab einer bestimmten Gatespannung fließt trotz hoher Spannung zwischen Drain und Source praktisch kein Strom mehr durch den Kanal, ebenso wie ein total abgequetschter Gartenschlauch kein Wasser mehr durchläßt.

Die Abschnürspannung

Dieses Bild hatten wohl auch die Physiker vor Augen, als sie diese Spannung Abschnürspannung nannten. Je nachdem, wie die Isolation zwischen Gate und Kanal zustandekommt, unterscheidet man zwei verschiedene Arten von FETs. Beim Sperr-schicht-FET bildet ein zwischen Gate und Kanal befindlicher P/N-Übergang, der in Sperrichtung gepolt ist, die erforderliche Isolation. MOS-FETs (Metal-Oxide-Se-miconductor) benutzen statt des P/N-Übergangs eine dünne Schicht oxidierten Metalls, die ebenfalls gut isoliert.

Kanalarbeiter-Leistungs-Feldeffekttransistoren

Wenn in leistungsstarken Endstufen hohe Ströme bei gleichzeitig kurzen Anstiegszeiten von den Ausgangstransistoren verlangt werden, dann reagieren viele bipolare Typen zu träge auf die Steuersignale an der Basis. Als Folge davon steigen mit zunehmender Frequenz und Leistung die Verzerrungen an, die Wiedergabe kann unsauber werden. Ein weiterer Nachteil, der bipolaren Transistoren eigen ist, liegt in der Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Durchlaßspannung. Ihr Wert sinkt mit steigender Temperatur.

Wenn sich Ruheströme aufschaukeln

Wenn die Basisvorspannung konstant gehalten wird, vergrößert sich der Ruhestrom einer Transistorschaltung bei Erwärmung. Besonders kritisch ist die Erhöhung des Ruhestroms bei Leistungsendstufen. Der erhöhte Ruhestrom heizt die Transistoren noch mehr auf, dadurch sinkt wiederum die Basis-Emitter-Spannung, und so weiter. Das Aufschaukeln des Ruhestroms führt bis zur Zerstörung der Endtransistoren, wenn der Entwickler die Auswirkung der temperaturabhängigen Basis-Emitter-Spannung nicht durch Schaltungstricks kompensiert.

FETs machen das Gegenteil - aber nur mit Tricks

Umgekehrt verhalten sich FETs bei Erwärmung. Bei Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren am Verstärkerausgang sinkt der Ruhestrom mit steigender Temperatur. So verhindern sie selbst innerhalb gewisser Grenzen ihre Überlastung infolge zu hohen Ruhestroms. Auch die Geschwindigkeit, mit der Feldeffekttransistoren die von der Gate-Spannung übermittelten Steuerbefehle ausführen, leidet bei hohen Kanalströmen nicht. Einziger Wermutstropfen: Selbst im günstigsten Fall liegt der Kanalwiderstand beim völlig durchgeschalteten FET immer noch in der Größenordnung von 20 bis 50 Ohm - für die bei Leistungsendstufen verlangten Ströme von über 10 Ampere ein viel zu hoher Wert.

Findige Halbleiterentwickler dachten sich allerdings vor ungefähr fünf Jahren einen verblüffend einfachen Weg aus der Misere aus: Sie schalteten bis zu 1000 parallel liegende Einzeltransistoren zu einem Supertransistor zusammen.

Durch diesen Trick erzielten sie Kanalwiderstände von nur noch wenigen Milliohm. Allerdings besitzen Leistungs-FETs infolge der vielen parallel liegenden Einzelgates auch erkleckliche Eingangskapazitäten. Die englischen Highender der Firma Mission Electronics bauten ihre Endstufe 777 mit den neuen Leistungs-MOS-FETs auf und schwören seither wegen des guten Klangs auf diese Bauelemente.

Günther Mania

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