Transistor – Aufbau, Funktion und Anwendung

Was ist ein Transistor?

Der Transistor ist das zentrale aktive Bauelement der modernen Elektronik. Er wurde 1947 von William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain bei den Bell Laboratories entwickelt und bildet die Grundlage nahezu aller heutigen elektronischen Systeme. Die drei Forscher erhielten dafür 1956 den Nobelpreis für Physik.

Der Name Transistor setzt sich aus den englischen Begriffen transfer (übertragen) und resistor (Widerstand) zusammen. Er beschreibt das Grundprinzip: Ein kleines Steuersignal kontrolliert den Stromfluss in einem größeren Stromkreis.

Transistoren treten in zwei grundlegenden Bauformen auf:

Bipolartransistor (BJT) stromgesteuert, nutzt Elektronen und Löcher als Ladungsträger
Feldeffekttransistor (FET / MOSFET) spannungsgesteuert, arbeitet mit einem Ladungsträgertyp

Beide Transistortypen können sowohl als Schalter als auch als Verstärker eingesetzt werden. Welche Bauform verwendet wird, hängt unter anderem von der Ansteuerung, der Eingangsimpedanz und dem gewünschten Einsatzbereich ab.

Aufbau des Bipolartransistors

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Der Bipolartransistor besteht aus drei aufeinanderfolgenden, unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen. Je nach Anordnung dieser Zonen unterscheidet man:

NPN-Transistor: n-dotiert – p-dotiert – n-dotiert
PNP-Transistor: p-dotiert – n-dotiert – p-dotiert

Der NPN-Typ ist in der Praxis deutlich verbreiteter. Jede der drei Zonen besitzt einen eigenen Anschluss:

Emitter (E) Stark dotierte Zone, die Ladungsträger in die Basis einspeist.

Basis (B) Sehr dünne, schwach dotierte Mittelzone, sie steuert den Stromfluss über einen kleinen Basisstrom.

Kollektor (C) Relativ große Zone, die die Ladungsträger aus der Basis aufnimmt.

Die Basis ist bewusst extrem dünn gehalten (wenige Mikrometer). Dadurch können die meisten Ladungsträger, die vom Emitter eingespeist werden, die Basis durchqueren und zum Kollektor gelangen, ohne in der Basis zu rekombinieren. Nur ein kleiner Teil fließt als Basisstrom ab und genau das ermöglicht die Stromverstärkung.

Merke: Ein kleiner Basisstrom steuert einen deutlich größeren Kollektorstrom.

Schichtaufbau eines NPN-Bipolartransistors (vereinfacht, nicht maßstäblich)

Zwischen Emitter und Basis sowie zwischen Basis und Kollektor befinden sich jeweils p-n-Übergänge. Im Normalbetrieb wird der Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung betrieben.

Funktionsweise des BJT

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Der Bipolartransistor ist stromgesteuert: Ein kleiner Basisstrom \( I_B \) steuert einen deutlich größeren Kollektorstrom \( I_C \). Das Verhältnis beider Ströme bezeichnet man als Gleichstromverstärkung \( \beta \) (auch \( h_{FE} \)):

\( I_C = \beta \cdot I_B \)

\( I_C \)	Kollektorstrom
\( I_B \)	Basisstrom
\( \beta \)	Stromverstärkung (typisch 50 … 500)

Merke: Ein kleiner Basisstrom steuert einen großen Kollektorstrom.

Die Ströme addieren sich am Emitter:

\( I_E = I_C + I_B \)

Damit ein NPN-Transistor leitet, muss die Basis-Emitter-Spannung etwa \( 0{,}6 \ldots 0{,}7\,\mathrm{V} \) erreichen. Erst dann wird der Basis-Emitter-p-n-Übergang leitend.

\( U_{BE} \approx 0{,}6 \ldots 0{,}7\,\mathrm{V} \)

Liegt die Spannung darunter, sperrt der Transistor praktisch vollständig.

Betriebszustände

Je nach Ansteuerung arbeitet der BJT in einem von drei Bereichen:

Sperrbereich \( U_{BE} < 0{,}6\,\mathrm{V} \): Kein Basisstrom, kein Kollektorstrom. Der Transistor sperrt – er verhält sich wie ein offener Schalter.

Aktiver Bereich (Verstärkerbetrieb) \( I_C = \beta \cdot I_B \). Der Transistor arbeitet im linearen Bereich und wird zur Verstärkung genutzt.

Sättigungsbereich Transistor voll durchgesteuert, beide p-n-Übergänge leitend, \( U_{CE} \approx 0{,}1 \ldots 0{,}3\,\mathrm{V} \). Er verhält sich wie ein nahezu geschlossener Schalter.

Kennlinien und Arbeitspunkt

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Das Verhalten eines Bipolartransistors wird durch Kennlinienfelder beschrieben. Besonders wichtig ist das Ausgangskennlinienfeld: Es zeigt den Kollektorstrom \( I_C \) in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung \( U_{CE} \), jeweils für unterschiedliche Basisströme \( I_B \).

Ausgangskennlinienfeld eines NPN-Transistors (mit typischen Beispielwerten)

Im Schaltbetrieb wird der Transistor zwischen Sperr- und Sättigungsbereich betrieben, er wirkt wie ein Ein/Aus-Schalter.

Im Verstärkerbetrieb arbeitet der Transistor im aktiven Bereich. Dazu wird ein fester Arbeitspunkt (AP) eingestellt, um ein lineares Verhalten zu gewährleisten.

Dieser Arbeitspunkt wird durch eine geeignete Vorspannung (Bias) festgelegt, häufig mit einem Basisspannungsteiler. Dadurch bleibt der Betrieb auch bei Temperaturänderungen stabil.

Aufbau des MOSFET

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Der MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) unterscheidet sich grundlegend vom Bipolartransistor. Beim N-Kanal-MOSFET besteht die Struktur aus einem p-dotierten Siliziumsubstrat, in das zwei stark n-dotierte Bereiche eingebracht sind: Source und Drain.

Zwischen Source und Drain befindet sich zunächst kein leitender Kanal. Erst durch eine geeignete Gate-Spannung wird im Halbleiter ein leitfähiger Kanal erzeugt.

Über dem Bereich zwischen Source und Drain liegt eine extrem dünne Isolierschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), das sogenannte Gate-Oxid. Darüber befindet sich die Gate-Elektrode. Diese Struktur aus Metall, Oxid und Halbleiter verleiht dem MOSFET seinen Namen.

Gate (G) Steuert über ein elektrisches Feld die Leitfähigkeit des Kanals. Aufgrund der Isolation fließt praktisch kein Gleichstrom ins Gate.

Drain (D) Anschluss, über den die Ladungsträger abgeführt werden.

Source (S) Anschluss, von dem die Ladungsträger in den Kanal eintreten. Häufig als Bezugspotenzial gewählt.

Damit ein Strom fließen kann, muss die Gate-Source-Spannung eine bestimmte Schwellspannung \( U_{GS(th)} \) überschreiten. Erst dann bildet sich ein leitfähiger Kanal zwischen Source und Drain.

Querschnitt durch einen N-Kanal-MOSFET (Anreicherungstyp, vereinfacht)

Funktionsweise des MOSFET

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Der MOSFET ist spannungsgesteuert: Die Gate-Source-Spannung \( U_{GS} \) erzeugt ein elektrisches Feld, das einen leitfähigen Kanal zwischen Source und Drain bildet oder wieder auflöst. Da das Gate durch eine Oxidschicht elektrisch isoliert ist, fließt praktisch kein Steuerstrom:

\( I_G \approx 0 \)

Dadurch wird die ansteuernde Schaltung nahezu nicht belastet – ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Bipolartransistor.

Schwellspannung und Kanalbildung

Beim N-Kanal-Anreicherungstyp existiert ohne Gate-Spannung kein Kanal. Erst wenn die Gate-Source-Spannung die Schwellspannung \( U_{th} \) überschreitet (typisch \( 1 \ldots 4\,\mathrm{V} \)), entsteht ein leitfähiger Kanal:

\( U_{GS} > U_{th} \Rightarrow \text{Kanal leitend} \)

Betriebsbereiche

Sperrbereich (Cutoff) \( U_{GS} < U_{th} \): Kein Kanal, kein Drainstrom.

Linearbereich (ohmscher Bereich) Kanal vorhanden, MOSFET verhält sich wie ein steuerbarer Widerstand. Charakterisiert durch den Einschaltwiderstand \( R_{DS(on)} \).

Sättigungsbereich (Verstärkerbetrieb) Strom wird hauptsächlich durch \( U_{GS} \) bestimmt und ist weitgehend unabhängig von \( U_{DS} \).

Drainstrom im Sättigungsbereich

Im idealisierten Modell ergibt sich der Drainstrom näherungsweise zu:

\( I_D \approx k \cdot (U_{GS} - U_{th})^2 \)

\( I_D \): Drainstrom · \( U_{GS} \): Gate-Source-Spannung · \( U_{th} \): Schwellspannung · \( k \): Bauelementparameter

Diese quadratische Abhängigkeit ist typisch für den MOSFET und unterscheidet ihn deutlich vom Bipolartransistor.

BJT vs. MOSFET

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Beide Transistortypen erfüllen dieselben Grundaufgaben – Schalten und Verstärken. Aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien eignen sie sich jedoch für verschiedene Anwendungen:

Merkmal	BJT	MOSFET
Steuerung	Stromgesteuert (\( I_B \))	Spannungsgesteuert (\( U_{GS} \))
Steuerstrom	Erforderlich (\( I_B \neq 0 \))	Nahezu null (\( I_G \approx 0 \))
Eingangsimpedanz	Mittel	Sehr hoch
Schaltgeschwindigkeit	Mittel	Hoch (kapazitiv begrenzt)
Rauschen	Günstig bei kleinen Signalen	Günstig bei hochohmigen Quellen
Leitverluste	Sättigungsspannung \( U_{CE(sat)} \)	Ohmscher Widerstand \( R_{DS(on)} \)
Temperaturverhalten	Thermisch kritisch (Runaway möglich)	Stabiler (positiver Temperaturkoeffizient)
Typische Anwendung	Analogverstärker, lineare Stufen	Schaltnetzteile, Digitaltechnik, ICs

Temperatur:
Die Basis-Emitter-Spannung sinkt mit steigender Temperatur um etwa \( -2\,\mathrm{mV/K} \).

Merksatz:
BJT → Strom steuert Strom
MOSFET → Spannung steuert Strom

In der digitalen Schaltungstechnik und in integrierten Schaltkreisen dominiert heute der MOSFET. Seine nahezu leistungslosen Steuereigenschaften und die hohe Integrationsdichte machen ihn zur Grundlage moderner Mikroprozessoren. Der Bipolartransistor bleibt insbesondere in analogen Verstärkerschaltungen von großer Bedeutung.

Transistor als Schalter

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Im Schalterbetrieb arbeitet der Transistor nur in zwei Zuständen: Sperrbereich (aus) oder Sättigungsbereich (ein). Der lineare Bereich wird dabei möglichst schnell durchlaufen, um Verluste zu minimieren.

NPN-Transistor als Schalter

Ein typischer NPN-Schalter verbindet einen Verbraucher (z. B. LED oder Relais) zwischen Betriebsspannung und Kollektor. Der Emitter liegt auf Masse. Ein Basiswiderstand \( R_B \) begrenzt den Steuerstrom:

\( R_B = \frac{U_{\text{Steuer}} - U_{BE}}{I_B} \)

Damit der Transistor sicher in die Sättigung gelangt, wählt man den Basisstrom bewusst größer als notwendig. Statt \( I_B = \frac{I_C}{\beta} \) verwendet man eine erzwungene Stromverstärkung (forced β):

\( I_B \approx \frac{I_C}{5 \ldots 10} \)

Dadurch ist sichergestellt, dass der Transistor vollständig durchschaltet und die Kollektor-Emitter-Spannung klein bleibt: \( U_{CE(sat)} \approx 0{,}1 \ldots 0{,}3\,\mathrm{V} \).

Eingang LOW \( U_{BE} < 0{,}6\,\mathrm{V} \) → kein Basisstrom → Transistor sperrt → Verbraucher aus

Eingang HIGH \( U_{BE} \approx 0{,}7\,\mathrm{V} \) → Basisstrom fließt → Transistor sättigt → Verbraucher ein

Transistoren als Schalter sind die Grundlage digitaler Schaltungen. In modernen integrierten Schaltkreisen wird diese Funktion jedoch überwiegend mit MOSFETs realisiert.

Merksatz: Ein Transistor als Schalter kennt nur zwei Zustände: aus (sperrt) oder ein (sättigt).

Transistor als Verstärker

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Im Verstärkerbetrieb arbeitet der Transistor im aktiven (linearen) Bereich. Ein kleines Wechselspannungssignal am Eingang wird in ein deutlich größeres Ausgangssignal umgesetzt.

Die Spannungsverstärkung \( v_U \) eines einfachen Emitterverstärkers ergibt sich aus dem Kollektorwiderstand \( R_C \) und dem differentiellen Emitterwiderstand \( r_e \). Da sich \( r_e \) mit dem Arbeitspunktstrom ändert, ist auch die Verstärkung stromabhängig:

\( v_U = -\frac{R_C}{r_e} \)

Der differentielle Emitterwiderstand hängt vom Arbeitspunktstrom ab:

\( r_e = \frac{U_T}{I_E} \approx \frac{26\,\mathrm{mV}}{I_C} \)

Daraus ergibt sich näherungsweise der Eingangswiderstand der Emitterschaltung:

\( r_{in} \approx \beta \cdot r_e \)

Größe	Einheit	Bedeutung
\( r_{in} \)	Ω	Eingangswiderstand der Emitterschaltung
\( \beta \)	–	Stromverstärkung
\( r_e \)	Ω	Differentieller Emitterwiderstand
\( I_C \) / \( I_{C0} \)	A	Kollektorstrom bzw. Ruhekollektorstrom (Arbeitspunkt)

Hinweis:
Das negative Vorzeichen der Spannungsverstärkung bedeutet eine Phasendrehung um 180°. Die Beziehung \( r_e = \frac{U_T}{I_C} \) gilt nur im Kleinsignalbetrieb (lineare Näherung um den Arbeitspunkt).

Merke: Der Emitterverstärker invertiert das Signal und liefert eine hohe Spannungsverstärkung.

Anwendungen

Audioverstärker Mikrofonvorverstärker, Lautsprecherendstufen, Hi-Fi-Systeme

Sensorverstärkung Temperatursensoren, Drucksensoren, Photodetektoren

Hochfrequenztechnik Empfängervorverstärker, Oszillatoren, Mischer

Operationsverstärker Bestehen intern aus mehreren Transistorstufen

Grundschaltungen

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Beim Bipolartransistor gibt es drei grundlegende Verstärkerschaltungen. Sie unterscheiden sich darin, welcher Anschluss als gemeinsamer Bezugspunkt für Ein- und Ausgang dient.

Emitterschaltung (Common Emitter)

Hohe Spannungs- und Stromverstärkung, das Ausgangssignal ist um 180° phasenverschoben. Universell einsetzbar und die am häufigsten verwendete Verstärkerschaltung.

\( v_U \gg 1 \) · \( v_I \gg 1 \) · mittlerer Eingangswiderstand · hoher Ausgangswiderstand

Kollektorschaltung (Emitterfolger, Common Collector)

Spannungsverstärkung etwa 1, aber hohe Stromverstärkung. Keine Phasenumkehr. Ideal als Impedanzwandler zwischen hochohmigen und niederohmigen Stufen.

\( v_U \approx 1 \) · \( v_I \gg 1 \) · hoher Eingangswiderstand · niedriger Ausgangswiderstand

Basisschaltung (Common Base)

Spannungsverstärkung möglich, aber Stromverstärkung etwa 1. Keine Phasenumkehr. Besonders geeignet für Hochfrequenzanwendungen aufgrund geringer Eingangskapazität.

\( v_U \gg 1 \) · \( v_I \approx 1 \) · niedriger Eingangswiderstand · hoher Ausgangswiderstand

MOSFET-Grundschaltungen

Source-Schaltung → entspricht der Emitterschaltung (CE)
Drain-Schaltung → entspricht der Kollektorschaltung (CC)
Gate-Schaltung → entspricht der Basisschaltung (CB)

Merke:
Emitterschaltung → hohe Verstärkung
Kollektorschaltung → Impedanzanpassung
Basisschaltung → Hochfrequenz

Merksatz:
CE: Verstärkung · CC: Spannungsfolger · CB: HF

Leistungselektronik

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Leistungstransistoren dienen zum Schalten und Steuern hoher Ströme und Spannungen. Für diese Anwendungen werden speziell optimierte Halbleiterbauelemente eingesetzt:

Power-MOSFET

Sehr niedriger Einschaltwiderstand \( R_{DS(on)} \), hohe Schaltgeschwindigkeit. Ideal für Schaltnetzteile, DC-DC-Wandler und Motorsteuerungen.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Vereint die einfache, spannungsgesteuerte Ansteuerung des MOSFET mit den guten Hochstrom-Eigenschaften des Bipolartransistors. Typisch in Wechselrichtern, Frequenzumrichtern und industriellen Antrieben.

Darlington-Transistor

Zwei Bipolartransistoren in Kaskade → sehr hohe Gesamtverstärkung \( \beta_{\text{ges}} = \beta_1 \cdot \beta_2 \). Eingesetzt bei Relaisansteuerungen und in einfachen Leistungsstufen.

PWM – Pulsweitenmodulation

In der Leistungselektronik werden Transistoren häufig mit Pulsweitenmodulation (PWM) betrieben. Der Transistor schaltet dabei mit hoher Frequenz (typisch 1 … 100 kHz) zwischen Sperr- und leitendem Zustand. Die übertragene mittlere Leistung wird über das Tastverhältnis \( D \) gesteuert:

\( D = \frac{t_{\text{ein}}}{T} \qquad (0 \leq D \leq 1) \)

\( t_{\text{ein}} \): Einschaltzeit · \( T \): Periodendauer

Die mittlere Ausgangsspannung ergibt sich näherungsweise zu:

\( U_{\mathrm{avg}} = D \cdot U_{\mathrm{max}} \)

\( U_{\mathrm{avg}} \): mittlere Ausgangsspannung · \( U_{\mathrm{max}} \): maximale Spannung · \( D \): Tastverhältnis

Da der Transistor überwiegend in den verlustarmen Zuständen „ein“ oder „aus“ betrieben wird, erreichen PWM-Schaltungen sehr hohe Wirkungsgrade von typischerweise 90 … 98 %.

Verlustleistung

\( P = U \cdot I \)

\( P \) [W]: Verlustleistung · \( U \) [V]: Spannung am Transistor · \( I \) [A]: Strom durch den Transistor

\( P_{BJT} = U_{CE} \cdot I_C \)

\( P_{MOSFET} = I_D^2 \cdot R_{DS(on)} \)

Merke:
PWM steuert Leistung nicht über die Spannungshöhe, sondern über die Einschaltdauer.

Bedeutung in der Elektronik

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Der Transistor gilt als eine der bedeutendsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Erst durch ihn wurde die Miniaturisierung elektronischer Schaltungen möglich – und damit die Entwicklung moderner Computer, Smartphones und digitaler Systeme.

Integrierte Schaltkreise (ICs) enthalten heute Millionen bis Milliarden von Transistoren auf einem einzigen Siliziumchip. Über viele Jahrzehnte folgte diese Entwicklung dem Mooreschen Gesetz: Die Anzahl der Transistoren pro Chip verdoppelt sich ungefähr alle zwei Jahre.

Intel 4004 (1971) ≈ 2.300 Transistoren · Strukturbreite 10 µm

Prozessoren (2020er) Mehrere Milliarden Transistoren · Strukturbreiten im Bereich von 3–5 nm

Neben der Digitaltechnik ist der Transistor auch in der Analogtechnik unverzichtbar – etwa in der Kommunikationstechnik, Medizintechnik, Energieversorgung und in nahezu allen modernen technischen Systemen.

Der Transistor ist damit das grundlegende Schaltelement der Informationsgesellschaft.

Merke:
Ohne Transistoren gäbe es keine integrierten Schaltungen – und damit keine moderne Elektronik.

Formelsammlung

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Kompakte Übersicht der wichtigsten Zusammenhänge von Bipolartransistor (BJT) und MOSFET für Schalter- und Verstärkerbetrieb.

Bipolartransistor (BJT)

\( I_C = \beta \cdot I_B \)

\( I_C \) [A]: Kollektorstrom · \( I_B \) [A]: Basisstrom · \( \beta \) [–]: Stromverstärkung (typ. 50 … 500)

\( I_E = I_C + I_B \)

\( I_E \) [A]: Emitterstrom

\( U_{BE} \approx 0{,}6 \ldots 0{,}7\,\mathrm{V} \)

Basis-Emitter-Schwellspannung (Si-Transistor)

\( U_{CE(sat)} \approx 0{,}1 \ldots 0{,}3\,\mathrm{V} \)

Kollektor-Emitter-Spannung im Sättigungsbereich

Verstärkerbetrieb (Emitterschaltung)

\( v_U = -\frac{R_C}{r_e} \)

\( v_U \) [–]: Spannungsverstärkung · \( R_C \) [Ω]: Kollektorwiderstand · negatives Vorzeichen: Phasendrehung um 180°

\( r_e = \frac{U_T}{I_E} \approx \frac{26\,\mathrm{mV}}{I_C} \)

\( r_e \) [Ω]: differentieller Emitterwiderstand · \( U_T \): Temperaturspannung · abhängig vom Arbeitspunktstrom

\( r_{in} \approx \beta \cdot r_e \)

\( r_{in} \) [Ω]: Eingangswiderstand der Emitterschaltung

MOSFET

\( I_G \approx 0 \)

Kein Gleichstrom ins Gate (isoliert durch Oxid)

\( U_{GS} > U_{th} \Rightarrow \text{leitender Kanal} \)

\( U_{GS} \) [V]: Gate-Source-Spannung · \( U_{th} \) [V]: Schwellspannung (typ. 1 … 4 V)

\( I_D \approx k \cdot (U_{GS} - U_{th})^2 \)

\( I_D \) [A]: Drainstrom · \( k \): Bauelementparameter · gültig im Sättigungsbereich

Schalterbetrieb

\( R_B = \frac{U_{\text{Steuer}} - U_{BE}}{I_B} \)

Basiswiderstand zur Strombegrenzung

PWM (Pulsweitenmodulation)

\( D = \frac{t_{\text{ein}}}{T} \)

\( D \): Tastverhältnis · \( t_{\text{ein}} \) [s]: Einschaltzeit · \( T \) [s]: Periodendauer

\( U_{\mathrm{avg}} = D \cdot U_{\mathrm{max}} \)

\( U_{\mathrm{avg}} \) [V]: mittlere Ausgangsspannung

Merke:
BJT → Strom steuert Strom
MOSFET → Spannung steuert Strom

Zusammenfassung

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Der Transistor ist das zentrale aktive Bauelement der Elektronik. Er steuert mit einem kleinen Signal einen deutlich größeren Strom und ermöglicht so die Grundfunktionen Schalten und Verstärken. Der Transistor ist ein elektronischer Schalter und Verstärker.

BJT stromgesteuert (B, C, E) · \( I_C = \beta \cdot I_B \) · \( U_{BE} \approx 0{,}7\,\mathrm{V} \)
MOSFET spannungsgesteuert (G, D, S) · \( I_G \approx 0 \) · \( U_{GS} > U_{th} \) → Kanal leitend
Schalterbetrieb arbeitet zwischen Sperr- und leitendem Zustand
Verstärkerbetrieb arbeitet im aktiven (linearen) Bereich
Leistungselektronik Power-MOSFET und IGBT für hohe Leistungen · PWM zur effizienten Steuerung
Bedeutung Grundbaustein aller integrierten Schaltungen und Basis moderner Elektronik

Merksatz:
Transistor = steuerbares Ventil für Strom