Der Transistor

Der Transistor
Physik Klasse 10

Als erstes erkläre ich in diesem Beitrag den physikalische Aufbau der beiden Transistorarten pnp- und npn-Transistor. Danach zeige ich, wie man die Leitfähigkeit der Transistoren untersuchen kann. Transistoren setzt man zur Stromverstärkung und Steuerung ein. Außerdem stelle ich eine Grundschaltung für einen Transistor vor und erkläre die Funktion des Transistors.

Der physikalische Aufbau eines Transistors

Wenn man einen n-dotierten Halbleiter und einen p-dotierten Halbleiter zusammenfügt, erhält man eine Halbleiterdiode.
Einen Transistor baut man aus drei Halbleitern zusammen. Dabei unterscheidet man zwischen zwei Arten:

Aufbau des npn-Transistors:

Die mittlere Schicht heißt Basis (B), die anderen beiden heißen Emitter (E) und Kollektor (C).

In den Zeichnungen sehen Sie den Schichtaufbau und die Schaltzeichen.

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Aufbau des pnp-Transistors:

Bezeichnungen wie beim npn-Transistor, nur die Halbleiterschichten sind vertauscht.

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Leitfähigkeitsuntersuchungen am Transistor

Versuch

Wir untersuchen Transistorstrecken auf ihren Stromfluss. Dabei legen wir den Plus- und Minuspol jeweils an verschiedene Schichten an.

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Die Ergebnisse können wir anschließend in einer Tabelle speichern:

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Bei zweipoligem Anschluss kann folglich nur die Basis-Emitter Strecke und die Basis-Kollektor-Strecke leiten.
Bei welcher Polarität Leitung vorliegt, hängt von der Art des Transistors ab.



Der Transistoreffekt: Stromverstärkung und Steuerung

Hier eine Grundschaltung für einen Transistor:

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Der Transistor wirkt als Stromsteuerelement. Das Verhältnis Kollektorstrom zu Basisstrom heißt Stromverstärkung. Diese kennzeichnet den Transistor. Über den Basisstrom lässt sich der Kollektorstrom steuern. Dies wird zum Beispiel in Netztteilen für Laptops eingesetzt. Ihr habt sicher schon einmal den Kasten gesehen, der am Stromkabel hängt.

Der Transistor kann als Gegeneinanderschaltung von zwei Dioden aufgefasst werden. In ihm wird der Kollektorstrom durch den viel kleineren Basisstrom gesteuert. Dabei wird eine Stromverstärkung B = IC / IB von mehr als Einhundert erreicht. Die Stromverstärkung bleibt bei Änderung der Kollektor-Emitterspannung weithin konstant.

Als nächstes eine Schaltung mit einheitlicher Spannungsversorgung:

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Wie funktioniert ein Transistor?

Schauen wir uns noch einmal eine Halbleiterdiode an.

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Man baut sie, indem man eine n- und ein p-Schicht zusammenfügt. Elektronen wandern dann in den p-Bereich, Löcher wandern in den n-Bereich.

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Der n-Bereich wird dadurch positiv, der p-Bereich negativ. Es bildet sich folglich ein elektrisches Feld von p nach n und somit eine Sperrschicht.

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Wenn man dann eine Spannung anlegt (n positiv, p negativ), vergrößert sich das elektrische Feld und somit die Sperrschicht.

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Wenn man stattdessen die Spannung an p positiv und an n negativ anlegt, verringert sich das elektrische Feld. Dadurch wird die Sperrschicht kleiner und verschwinde, wenn sie ein Schwellenspannung  erreicht.



Als nächstes bauen wir einen Transistor:

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Dazu fügen wir npn-Schichten zusammen.

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Der n-Bereich ist positiv, der p-Bereich negativ.
Dadurch haben sich zwei Sperrschichten gebildet.

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Die Spannung zwischen Basis und Emitter hebt die untere Sperrschicht auf. Deshalb fließt ein Basisstrom. Die Basis wird mit Elektronen überschüttet. Durch Diffusion gelangen einige Elektronen in die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor. Je nach Anzahl der Elektronen, die in die Sperrschicht gelangen, wird diese verkleinert, bzw. ganz aufgehoben. Dadurch wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Wird zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung gelegt, so kann ein Kollektorstrom fließen. Der Basisstrom steuert somit den Kollektorstrom (über Veränderung der Sperrschichtgröße).


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