Kaum ein Gerät der modernen Elektronik kommt ohne Transistoren aus, darum ist es von Vorteil, etwas mehr über den Aufbau und die Funktion der Transistoren zu erfahren. In diesem Video zeige ich dir den Aufbau und die Funktion eines bipolaren Transistors.
Transistoren kannst du zum Beispiel im Verstärker einer Musikanlage finden. Oder im Sensor eines Rauch- oder Bewegungsmelders. Auch in jedem PC oder Tablet. Sie gehören zu den vielseitigsten und wichtigsten Bauteilen der Elektronik. Ohne Transistoren gäbe es keine Smartphones oder moderne Computer.
Der p-n-Übergang
Voraussetzung zum Verständnis der Funktionsweise der Transistoren als Schalter und Verstärker ist der p-n-Übergang. Ja, der p-n-Übergang ist eine Kombination von zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterkristallen.
Der p-Bereich, besitzt eine erhöhte Konzentration von freien Löchern. Und der n-Bereich besitzt eine erhöhte Konzentration von freien Elektronen. Der Raum in der Mitte ist frei von Ladungsträgern, von beweglichen Ladungsträgern und wird als Sperrschicht bezeichnet. Diese Sperrschicht entsteht dadurch, dass beim Aneinanderfügen dieser beiden p- und n-Bereiche die Ladungsträger an der Berührungsfläche rekombinieren.
Und diese ganze Kombination von dem p- und n-Bereich, die wird als Diode bezeichnet. Und diese Diode leitet den Strom nur dann, wenn eine Spannungsquelle so angeschlossen wird, wie es hier in diesem Bild gezeigt wird. Der Minuspol am n- und der Pluspol an dem p-Bereich. In diesem Fall ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet, die Ladungsträger fließen sozusagen von einer Seite zur anderen, entsprechend ihrer Ladung.
Lesen Sie auch: Diagnose und Behandlung der Bipolar-II-Störung
Wird nun der n-Bereich mit dem Pluspol und der p-Bereich mit dem Minuspol verbunden, wandern die jeweiligen Ladungsträger in den entsprechenden Bereichen zu den anderen Polen der Spannungsquelle. Die in der Mitte liegende Sperrschicht, die verbreitert sich dadurch. Und die Diode ist in diesem Fall eben in Sperrrichtung geschaltet. Es kann kein Strom durch die Diode fließen.
Hierbei musst du nun beachten, dass es immer die Elektronen sind, die sich als Ladungsträger bewegen. Einmal bewegen sie sich selbst in Richtung Pluspol und im anderen Fall bewegen sich die Löcher, die ja eigentlich positiv geladen sind, aber es bewegen sich doch die Elektronen. Ja, das sind die wichtigsten Eigenschaften der Vorgänge in einer Diode, nun weiter zum Transistor.
Bipolare Transistoren
Schaltet man nun zwei p-n-Übergänge gegeneinander, so wie hier dargestellt, spricht man von einem bipolaren Transistor. Übrigens werden die p- und n-Bereiche vertauscht, liegt ein p-n-p-Transistor vor, seine Funktionsweise ist analog zu der wie bei diesem n-p-n-Transistor und wird hier nicht weiter betrachtet, es ist einfach die Umkehrung der jeweils gepolten Dinge zu berücksichtigen.
Der Aufbau eines Transistors leitet sich stark von dem einer Halbleiterdiode ab. Die Funktionsweise der Diode hilft uns dann, die Funktion des Transistors zu verstehen. Dabei lernst du die zwei Hauptfunktionen, die des Schalters und die des Verstärkers, kennen. Anhand dieser Funktionen wird die vielfältige Anwendung deutlich.
Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten. Die n-Schicht ist negativ und die p-Schicht positiv dotiert. Das ist wichtig, denn die Hauptaufgabe der Diode besteht darin, den Ladungsträgerfluss nur in einer Richtung zuzulassen. Diese nennt man die Durchlassrichtung. In umgekehrter Richtung, der Sperrrichtung, ist die Stromstärke nahezu Null und die Lampe leuchtet nicht. Ihre Größe variiert stark je nach Einsatzort. Diese hier sind einige Zentimeter bis wenige Millimeter groß. Als Teil eines Mikroprozessors können sie jedoch auch nur wenige Nanometer, d.h. 10 hoch minus neun Meter, klein sein. Dieser besteht nämlich aus drei dotierten Halbleiterschichten in der Anordnung npn oder pnp. Daher auch die Bezeichnung bipolarer Transistor. Es gibt nämlich auch andere Bauvarianten.
Lesen Sie auch: Detaillierte Informationen zur bipolaren Störung
In dieser Abbildung sehen wir zum einen das Schaltsymbol, links oben dargestellt, und zum anderen den Transistor in der sogenannten Emitter-Schaltung mit den entsprechenden elektrischen Anschlüssen, wie du aus dieser Abbildung entnehmen kannst. Das Schaltsymbol des Transistor sieht so aus. Dabei unterscheidet man zwischen npn- und pnp-Transistor indem man den kleinen Pfeil am Emitter entweder von der Basis weg oder zur Basis hin zeichnet.
Der untere n-Leiter ist der Emitter, E abgekürzt, in der Mitte sehen wir den p-Leiter, das ist die Basis B. Und oben auch wieder ein n-Leiter, das ist der Kollektor, abgekürzt mit C. Wird nun die Basis mit dem Pluspol der Spannungsquelle, und der Emitter mit dem Minuspol verbunden, werden die Elektronen aus E in Richtung B getrieben.
Der entsprechende Strom heißt Basisstrom, wir kürzen ihn mit IB ab. Nun eine Besonderheit, die Basis ist sehr dünn gestaltet und enthält auch wenig freie Löcher. Dadurch gelangen die Elektronen, die ja in Richtung der Basis getrieben werden, ohne große Beeinflussung, wir sagen ohne mit den Löchern zu rekombinieren zum Kollektor, sie werden also gerade durchbefördert, könnte man anschaulich sagen. Sie werden gewissermaßen von C angesaugt.
Und wir erkennen nun, dass da ein zweiter Stromkreis gebildet wird. Und bei der hier angegebenen Polung fließt so ein Kollektorstrom in diesem zweiten Kreis IC. Und dieser große Kollektorstrom hängt somit von der Spannung zwischen Basis und Emitter ab, die Spannung nennen wir UBE. Und von diesem Strom, der in diesem Stromkreis 1 fließt, wird also dieser große Strom, der Kollektorstrom, gesteuert. Und genau das ist der sogenannte Transistoreffekt. Wir sagen ein kleiner Basisstrom steuert einen großen Kollektorstrom.
Die Kennlinie des Transistors
Wenden wir uns der Kennlinie für den n-p-n-Transistor zu und werden die einzelnen Funktionsweisen noch einmal uns mit Hilfe der Kennlinie anschauen. Ja, die Kennlinie für den n-p-n-Transistor kann mit dieser Schaltung, die du hier siehst, aufgenommen werden. Wir sehen den Transistor in der dargestellten Position mit dem entsprechenden Schaltsymbol, dann siehst du zwei Messgeräte für den Basisstrom und für den Kollektorstrom, die entsprechenden Spannungsquellen und die Messgeräte und noch einen Vorwiderstand, der zur Strombegrenzung notwendig ist.
Lesen Sie auch: Therapieoptionen bei leichter bipolarer Störung
Nun wird die Kennlinie aufgenommen, so ergibt sich etwa dieses Bild. Und ganz charakteristisch: Die Kennlinie kann in drei Bereiche, wir nennen sie einfach I, II und III, unterteilt werden. In Bereich I passiert erst einmal gar nichts. Die Spannung steigt etwas und der Kollektorstrom ist noch null, wird aber die Spannung UBE erhöht, beginnt plötzlich ein Kollektorstrom zu fließen, du siehst das hier in dem Bereich II. Wird die Basis-Emitter-Spannung gleich etwas stärker erhöht, kann dieser Bereich II übersprungen werden und man kommt sofort in den Bereich III. Dort haben wir eine gewisse Sättigung des Kollektorstroms zu beobachten.
Und in diesem Zustand leitet der Transistor. Also, wir haben einen Bereich I, dort sperrt der Transistor und einen Zustand im Bereich III, dort leitet der Transistor. Wenn man diesen Bereich II also etwas zusammenschiebt, sieht man, dass vom Bereich I zum Bereich drei eine Schalterfunktion des Transistors zu beobachten ist. Und der Zustand in Bereich eins wird mit null identifiziert und der im Bereich III mit eins. Und da sind wir schon bei diesen beiden charakteristischen Zuständen null und eins, mit diesen beiden Zuständen kann also ein digitaler Prozess dargestellt werden. So können also zum Beispiel die Zahlen unseres binären Zahlsystems verschlüsselt werden und wenn man das einen Schritt weiterdenkt, schwuppdiwupp, sind wir beim Computer. Das also in aller Kürze die Funktion des Transistors als Schalter.
Transistor als Schalter
Zuerst am Bewegungsmelder. Ein Bewegungsmelder ist dazu da, dass das Licht vor der Haustür oder im Flur angeht, sobald sich etwas bewegt. Quasi wie ein Lichtschalter. Wenn wir uns das in einem Schaltplan anschauen, würde das in etwa so aussehen. Den Bewegungsmelder stelle ich hier als Blackbox dar, da wir nicht genau wissen, wie der aufgebaut ist. Und hier kommt unser npn-Transistor ins Spiel. Basis und Emitter werden an den Stromkreis zum Bewegungsmelder angeschlossen. Kollektor und Emitter an den Stromkreis der Lampe.
Im Ausgangszustand leuchtet die Lampe noch nicht. Das liegt daran, dass die Kollektor-Emitter-Strecke noch nicht leitend ist. Doch nun kommt ein Signal vom Bewegungsmelder. Das bedeutet, dass sich jetzt ein kleiner Strom über Basis und Emitter einstellt, der sogenannte Basisstrom I_B. Und dieser Basisstrom bewirkt, dass die Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird.
Wenn wir den elektrischen Stromkreislauf mit einem Wasserkreislaufmodell darstellen wollen, können wir uns den Transistor wie eine Schleuse vorstellen. Am Anfang ist die Kollektor-Emitter-Strecke gesperrt. Doch der Basisstrom öffnet quasi die Klappe am Kollektor bzw. Genau wie ein mechanischer Schalter kann ein Transistor also als Schalter zum Ansteuern eines Stromkreises dienen. Diesen Effekt nennt man den Transistoreffekt.
Dass der Basisstrom klein und der Kollektorstrom groß ist, liegt an der Bauweise des Transistors. Die Basisschicht ist immer sehr viel dünner, als die beiden anderen Schichten. Und dieses ungleiche Verhältnis macht man sich ebenfalls zu Nutze. Logikgatter und Mikrocontroller können nur kleine Lasten selber treiben. das steuernde Bauteil liefern kann. Der Mikrocontroller muss beim PNP Transistor nur den Basisstorm liefern bzw. senken. -genau wie ein mechanischer Schalter- einen Stromkreis unterbrechen oder schliessen. Die Schaltstrecke kann sehr zeitgenau, schnell und mit hoher Frequenz betätigt werden. Im Schalterbetrieb wird ein Transistor in der Emitterschaltung betrieben.
Transistor als Verstärker
Wir sind bei der Schalterfunktion des Transistors über diesen Bereich II sehr schnell hinweggegangen. Wenn wir uns aber diesen Bereich genauer ansehen und ihn etwas auseinander zerren, dann können wir die Steigung dieser Funktion, dieser Kennlinie, an dieser Stelle einmal uns näher ansehen. Dies ist die zweite Funktion, die Verstärkerfunktion.
Du musst dir das etwa so vorstellen, wenn UBE, wenn dort eine kleine Änderung stattfindet können wir die auf die Schräge projizieren und durch diese Schräge wird diese kleine Veränderung vergrößert. Nun, nichts anderes ist ein Verstärker. Und nun können wir uns das noch weiter vorstellen, wenn dieser eine Transistor mit einem zweiten gekoppelt wird, dann kann die erste Verstärkung an dem ersten Transistor aufgebaut werden zum zweiten Transistor und dort wird sie nochmal verstärkt. Und wenn wir so mehrere Stufen von Transistoren haben, können wir eine enorme Verstärkung erzielen. Also diese zweite Funktion ist auch eine ganz wichtige, die wir in dem Bereich der technischen Anwendung der Transistoren finden.
Wir tauschen in unserer Schaltung den Bewegungsmelder gegen ein Mikrophon und die Lampe gegen einen großen Lautsprecher. Das Eingangssignal, dass vom Mikrophon kommt ist verhältnismäßig schwach. Der Lautsprecher hingegen braucht eine große Stromstärke, um eine ordentliche Lautstärke aufzubringen. Und genau hierbei hilft wieder der Transistor. Ein Transistor kann somit auch als Verstärker dienen. Oftmals werden sogar gleich mehrere Transistoren hintereinander geschaltet, um eine noch größere Verstärkung zu erreichen.
Anwendungen
In der Digitaltechnik kommt er jedoch selten allein, sondern meist in integrierten Schaltungen zum Einsatz. So zum Beispiel bei einem Mikroprozessor, einem RAM- oder einem Flash-Speicher.
Übrigens: Transistoren als Einzelbauteile sind nicht teuer. Für ein paar Cent kannst du sie in vielen Elektronikgeschäften kaufen. Damit kannst du dann zum Beispiel deine eigene Disco-Lichtorgel ansteuern.
Zusammenfassung
Fassen wir zusammen, was du in diesem Video gelernt hast: Ein Transistor besteht aus drei dotierten Halbleiterschichten in der Anordnung npn oder pnp. Die drei Anschlüsse heißen *Basis, Kollektor und Emitter. Mit Hilfe des Schleusenmodells können wir uns vorstellen, das ein kleiner Basisstrom einen großen Kollektorstrom ermöglicht und steuert.
Kurze Rekapitulation: Wir sind ausgegangen von einer Diode, p-n-Übergang, haben dann zwei p-n-Übergänge gegeneinander geschaltet, erhalten einen n-p-n-Transistor. Und wir haben uns an diesem n-p-n-Transistor die entsprechenden Bewegungen der Ladungsträger angeschaut und haben eine Kennlinie betrachtet, die in drei Bereiche gegliedert wurde. Einmal konnten wir daraus ablesen die erste Eigenschaft des Transistors: Schalterfunktion, Zustände null und eins, digitale Prozesse. Und die zweite Funktion war die Verstärkerfunktion.
tags: #Bipolartransistor #Schaltungen #Grundlagen