Bipolartransistoren

Hallo und herzlich willkommen bei einem Video von Doktor Psi. Wir beschäftigen uns heute mit Transistoren. Kaum ein Gerät der modernen Elektronik kommt ohne diese Bauelemente aus, darum ist es von Vorteil, etwas mehr über den Aufbau und Funktion der Transistoren zu erfahren. Voraussetzung zum Verständnis der Funktionsweise der Transistoren als Schalter und Verstärker ist der p-n-Übergang. Was das ist und wie er funktioniert erfährst du gleich. Ja, der p-n-Übergang ist eine Kombination von zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterkristallen. Der p-Bereich, du siehst es hier blau gekennzeichnet, besitzt eine erhöhte Konzentration von freien Löchern. In diesem blauen Bereich rot dargestellt. Und der n-Bereich besitzt eine erhöhte Konzentration von freien Elektronen, das ist in dem roten Bereich rot dargestellt. 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, du siehst das hier, die Ladungsträger fließen sozusagen von einer Seite zur anderen, entsprechend ihrer Ladung. 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, du kannst das in etwa vergleichen mit einem freien Platz in einer Bankreihe, wo durch Aufrücken der Personen selber scheinbar diese Lücke sich bewegt. Ja, das sind die wichtigsten Eigenschaften der Vorgänge in einer Diode, nun weiter zum Transistor. 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. 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. 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, du siehst das hier in einem Stromkreis, nennen wir ihn Stromkreis 1, 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. Nun, 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. 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. Nun wollen wir uns gleich die zweite wichtige Funktion anschauen. 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. Wie das im Einzelnen funktioniert, das wirst du in anderen Videos dir anschauen können, wir sind also im Prinzip am Ende unserer Betrachtung zu bipolaren Transistoren angelangt. 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. Und ich hoffe, du hast alles soweit verstanden, falls du noch Fragen hast kannst du dich gerne an mich wenden. Ich hoffe wir sehen uns bald wieder bei einem Video von Doktor Psi, tschüss!