Der Transistor - DOZ

FA C H B E G R I F F E
Jens Ulrich
Der Transistor
Als 1947 der erste funktionsfähige Transistor in den
Bell Laboratories hergestellt wurde begann für die
Menschheit eine neue technische Epoche. 1956
erhielten die an der Erfindung beteiligten William B.
Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, den
Nobelpreis. Transistoren sind aktive elektrische
Bauelemente mit verstärkenden Eigenschaften. Sie
sind die Grundlage von vielen analogen und digitalen
Schaltkreisen.
Bändermodell der elektrischen Werkstoffe
I Aufgaben der Transistoren
I Die Gitterstruktur
Die Bezeichnung Transistor stammt aus dem Englischen und ist eine Kurzform für Transfer Varistor Ein Transistor lässt sich als einen
durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben. Transistoren sind
elektronische Halbleiterbausteine, die zum Schalten und Verstärken
von elektrischen Signalen eingesetzt werden können. Sie werden in
bipolare und unipolare Transistoren eingeteilt, je nachdem beide Ladungsträger oder nur ein Ladungsträger bei der Verstärkung beteiligt
sind. Man findet sie als wesentliches Bauteil sowohl in Verstärkerschaltungen als auch in digitalen Gattern und Prozessoren.
Die in großer Reinheit verwendeten Halbleiterwerkstoffe, z.B.
Germanium oder Silizium, haben keine Möglichkeit mit Fremdatomen Verbindungen einzugehen. Deshalb bilden jeweils fünf Atome ein kubischraumzentriertes Gitter.
I Halbleiter
Festkörper werden in der Elektrotechnik nach ihrer Leitfähigkeit in
drei Gruppen unterteilt:
• den Leitern,
• den Halbleitern und
• den Isolatoren.
Halbleiter sind Werkstoffe, deren spezifischer Widerstand demnach zwischen dem elektrischer Leiter und dem von Isolatoren liegt.
Sie besitzen unter normalen Bedingungen nur wenige freie Elektronen, die den elektrischen Strom führen könnten. Elektronische Halbleiterbauteile werden aus einem einzelnen Kristall (Einkristall) des
Halbleiterwerkstoffes hergestellt. Die Leitfähigkeit des Halbleiters
wird durch Zusetzen von Fremdatomen oder durch Verändern der
Temperatur beeinflusst. Die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern lassen sich anhand eines quantenmechanischen Bändermodells erklären. Dieses physikalische Modell beschreibt die Energiezustände in einem idealen Einkristall. Die Energiebänder können abhängig von den jeweiligen Elementen verschieden zueinander liegen. Bänder können sich überlappen oder durch Energiebereiche, in
der keine erlaubten Zustände existieren getrennt sein. Bei den Halbleiterwerkstoffen sind, aufgrund ihrer Kristallstruktur, das höchste
besetzte Energieband das Valenzband und das Leitungsband durch
eine Bandlücke getrennt.
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Kubischraumzentriertes Gitter
Bei der Zufuhr von Wärme beginnen die einzelnen Atome des Gitters zu schwingen. Da sich der Abstand des Kerns von den Valenzelektronen bei den Schwingungen vergrößert, können sich einzelne
Elektronen aus dem Verbund entfernen, zurück bleibt nun ein Atom
mit positiver Restladung. Diese positive Ladung wird als „Defektelektron“ oder „Loch“ bezeichnet. Die durch Wärme erzeugte Paarbildung von einem freien Elektron und einem Defektelektron nennt
man „thermische Paarbildung“. Die freien Elektronen wandern
scheinbar regellos durch den Kristall. Dabei können sie auch auf Löcher treffen und in den Kristallverbund zurückkehren. Diesen Vorgang nennt man „Rekombination“.
I Das Dotieren von Halbleitern
Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden. Dieser Einbau von Fremdatomen in einen reinen
Halbleiterkristall bezeichnet man als dotieren. Sind überschüssige
Leitungselektronen vorhanden spricht man von einem n-Leiter oder
Überschusshalbleiter. Bei einem Mangel an Elektronen entstehen
„Löcher“ die Träger positiver Ladung sind. Solche Halbleiter werden
p-Leiter oder Defekthalbleiter genannt.
HÖRAKUSTIK DOZ 6-2006
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I Die Kombinationen von p- und
n-Leitern
Die verschiedenen Ladungsträger in den Halbleiterwerkstoffen
lassen sich unterschiedlich gut bewegen. Durch die Kombination
von p- und n-Leitern lassen sich Dioden und Bipolare Transistoren
herstellen. An der Grenze zwischen P und N Schicht wandern durch
die Wärmebewegung ohne eine angelegte äußere Spannung
Elektronen vom n-Leiter in den p-Leiter ein und rekombinieren dort
mit den Löchern. Aus dem p-Leitermaterial diffundieren umgekehrt
auch „Löcher“ in den Bereich den n-Leiters. Sie verbinden sich dort
mit den vorhandenen freien Elektronen. Dadurch verarmt das Gebiet der PN Grenzfläche an freien Ladungsträgern. Da schließlich keine freien Ladungsträger mehr im Bereich der Grenzfläche vorhanden sind wirkt sie wie ein Isolator. Es bildet sich eine Sperrschicht,
diese hat nur eine Dicke von ca. 1 bis 5. Die Ladungen der Grenzschicht verursachen dann eine Diffusionsspannung UD.
I Der PN-Übergang mit angelegter
Spannung
Legt man den Pluspol einer Spannungsquelle an den n-Leiter und
den Minuspol an den p-Leiter so wird der PN-Übergang im Sperrbereich betrieben. Die freien Elektronen des n-Leiters bewegen sich
zum Pluspol der Spannungsquelle. Die Löcher des p-Leiters zum Mi-
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PN Grenzfläche ohne angelegte äußere Spannung
nuspol. Dadurch wird die ladungsfreie Zone um die Grenzschicht
breiter. Bis auf einen kleinen „Sperrstrom“ IR kann kein Strom durch
den Halbleiter fließen.
Polt man die äußere Spannung umgekehrt, so wird der PN-Übergang in Durchlassrichtung betrieben. Dadurch wandern sowohl die
Elektronen des n-Leiters, als auch die Löcher des p-Leiters in Richtung Grenzschicht. Mit steigender äußerer Spannung wird nach und
nach die Breite der Sperrschicht kleiner. Erreicht die äußere Spannung den dem Betrag nach gleichen Wert wie die Diffusionsspannung so ist die Sperrschicht komplett abgebaut. Bei einer weiteren
Erhöhung der Spannung kann ein Strom durch den Übergang fließen. Ein Bauteil was nur einen PN-Übergang besitzt nennt man
Halbleiterdiode. Sie hat für den elektrischen Strom eine Ventilwirkung und wird z.B. zum Peak Clipping eingesetzt.
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nung, für Silizium ca. 0,7 V. Fließt bei einem NPN Transistor ein Basisstrom, so gelangen viele Elektronen in die dünne Basisschicht und
rekombinieren dort mit den wenigen vorhandenen Löchern. Daher
kann sich nur ein geringer Basisstrom ausbilden.
Betrieb eines PN Übergangs in Sperrrichtung
Die Basisspannung
beim NPN Transistor
I Bipolare Transistoren
Bipolare Transistoren bestehen aus drei übereinander liegenden
Halbleiterschichten. Dabei wechseln sich N und P leitendes Material
ab. Es gibt sowohl Transistoren mit NPN als auch mit PNP Schichtfolge. NPN und PNP Transistoren verhalten sich zueinander komplementär. Transistoren sind mit Gehäusen aus Kunststoff oder Metall
versehen. Die einzelnen Halbleiterschichten sind jeweils mit Kontakten versehen, die nach außen geführt werden. Die mittlere der 3
Schichten bezeichnet man als Basis (lateinisch Grundlage). Sie ist
das Steuerorgan des bipolaren Transistors. Die als Emitter (lateinisch
hervorbringen) bezeichnete äußere Halbleiterschicht sendet Ladungsträger aus. Die zweite äußere Schicht heißt Kollektor (lateinisch Sammler). Dort werden die Ladungsträger wieder eingesammelt. Bipolare Transistoren haben immer zwei PN-Übergänge. An
den PN Übergängen bilden sich jeweils Sperrzonen aus (grün).
Der obere PN Übergang soll in Sperrrichtung betrieben werden.
Dazu muss eine Spannungsquelle angelegt werden, die ihren positiven Pol am Kollektor und ihren negativen Pol am Emitter hat. Da der
Basis Emitter Übergang in Durchlassrichtung gepolt ist überschwemmen von dort Elektronen die Sperrschicht und bauen sie ab. Der
Widerstand der Sperrschicht wird in Abhängigkeit vom Basisstrom
kleiner und die aus dem Emitter kommenden Elektronen können
über den Kollektor zur Spannungsquelle hin abfließen.
Die Entstehung des
Kollektorstroms
I Die Transitorgrundschaltungen
Die Emitterzone ist stark dotiert, die Kollektorzone etwas weniger.
Nur wenige Fremdatome befinden sich in der dünnen Basisschicht.
I Die verstärkende Wirkung des
Bipolaren Transistors
Um eine verstärkende Wirkung zu erreichen muss man den Basis
Emitter Übergang in Durchlassrichtung betrieben. Der Basis Kollektorübergang muss jedoch sperren. Der Emitterpfeil im Schaltzeichen
gibt die technische Stromrichtung an. Beim bipolaren Transistor verursacht dann ein kleiner Basisstrom einen großen Kollektorstrom
(Stromverstärkung). Damit die Basis Emitterschicht in Durchlassrichtung betrieben wird, muss zwischen Basis und Emitter eine Spannung angelegt werden. Beim NPN Transistor muss die Basis positiv
gegenüber dem Emitter sein. Die Größe der dazu erforderlichen
Spannung UBE liegt im Bereich der betreffenden Diffusionsspan140
Bipolare Transistoren können in 3 Grundschaltungen nämlich
der Emitterschaltung, der Basisschaltung und der Kollektorschaltung
betrieben werden. Sie sind jeweils nach dem Pol des Transistors
benannt, der als gemeinsamer Pol bei einer Verstärkerstufe für das
Eingangs- und Ausgangssignal der Wechselspannung dient. Jede
Grundschaltung hat ihre speziellen Einsatzgebiete. In der beschriebenen Emitter Schaltung steuert der kleine Basisstrom einen großen
Kollektorstrom. Sie wird am häufigsten eingesetzt, der Verstärkungsfaktor kann 10 bis 500 betragen.
Jens Ulrich
Füller
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