Sexl Physik 7, Schulbuch

97 | Aufbau und Funktionsweise des npn-Flächentransistors Ein Flächentransistor besteht aus drei Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotie- rung. Beim npn-Transistor befindet sich zwischen zwei n-leitenden Bereichen eine sehr dünne p-Leiter-Schicht, ihre Dicke beträgt etwa 10 –3 mm . Die Mittelschicht wird Basis ( B ) genannt, die anderen Schichten heißen Emitter ( E ) und Kollektor ( C ). Jede Schicht trägt einen Kontakt. ( 97.1 ) (Beim pnp-Transistor liegt eine n- leitende Schicht zwischen zwei p-leitenden Schichten.) Durch Anlegen einer Basisspannung U EB zwischen Emitter und Basis fließt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von Elektronen, in der Basis ein Löcherstrom in Richtung Emitter, dadurch wird die Sperrschicht abgebaut (vgl. Diode). Da die Basis sehr dünn ist, diffundiert ein Großteil der Elektronen zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode. Von den positiven unkompensierten Do- nator-Ionen im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und fließen zur positiven Elektrode. Der dadurch vom Emitter zum Kol- lektor fließende Strom von Elektronen, der Kollektorstrom , ist bis zu tausendmal größer als der Elektronenstrom vom Emitter zur Basis ( Basistrom ). Bei Abschalten der Basisspannung oder Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf null. Warum muss ständig ein Basisstrom fließen? Würden nicht ständig aus der Basis Elektronen abgesaugt, würde sich durch Rekombination von Elektronen mit Lö- chern eine negative Raumladung aufbauen, die den weiteren Elektronenfluss vom Emitter zur Basis und zum Kollektor verhindern würde. Untersuche, überlege, forsche: Herstellung von Transistoren 97.1 Informiere dich über die Herstellung für Halbleiterbauelemente und ICs (Wafer, Fo- tomaske, Fotolithografie, Dotierung, Aufbau von isolierenden Oxidschichten, Größe von Strukturen, …). Experiment: Transistor – Steuerung des Kollektorstroms 97.1 Du brauchst: npn-Transistor, zwei Spannungsquellen, Regelwiderstand, Lämpchen (Verbraucher), Amperemeter, Voltmeter. Was ist zu tun? Baue die Schaltung wie in 97.3 auf. Untersuche die Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom und von der Spannung U BE . In 97.3 sind zwei Stromkreise zu erkennen. Der Strom im Basis-Emitter-Kreis regelt den Strom im Kollektor-Emitter-Kreis. Dabei zeigen sich drei Bereiche. I) Strom fließt im Kollektor-Emitter-Kreis nur, wenn die Spannung U BE eine Schwelle von ca. +0,6 V übersteigt. Unterhalb dieser Schwellenspannung sperrt der Transistor und es fließt auch kein Strom im Basis-Emitter-Kreis. II) Wenn die Spannung U BE den Schwellenwert übersteigt, wird der Transistor leitend. Es fließt im Kollektor-Emitter-Kreis ein Kollektorstrom I C , der über einen weiten Bereich dem viel schwächeren Basisstrom I B proportional ist. III) Oberhalb einer weiteren vom verwendeten Transistor abhängigen Span- nungsschwelle für U BE bleibt der Kollektorstrom konstant. Daher können Transistoren zwei verschiedene Funktionen erfüllen: Transistor als Schalter: Bei Betrieb in den Bereichen I und III fungiert der Tran- sistor als Schalter zwischen den Zuständen „ein“ und „aus“. Transistor als Verstärker: Im Bereich II regelt ein kleiner Basisstrom einen gro- ßen Kollektorstrom. Als Verstärkungsfaktor bezeichnet man den Quotienten I C / I B , der aus dem Diagramm der Stromsteuerkennlinie ( 97.4 ) abgelesen werden kann. Transistoren werden als Schalter und Verstärker eingesetzt. Emitter (E) Basis (B) Kollektor (C) n n p A A I C I E Sperrschicht U EB U CB A I B 97.1 Legt man an die Basis eines npn- Transistors eine gegen den Emitter positive Spannung, so fließen Elektronen in die Basis. Die meisten diffundieren zum Kollektor, daher ist der Kollektorstrom wesentlich stärker als der Basisstrom . n n p – + Emitter (E) Basis (B) Kollektor (C) 97.2 Es fließt kein Strom, unabhängig von der Polung der angelegten Spannung 97.3 Der Basisstrom wird mit einem vari- ablen Widerstand R geregelt. Kollektor- und Basisstrom werden gemessen. Kollektorstrom in mA 0 0 60 70 80 20 40 5 10 15 20 25 Basisstrom in A µ 97.4 Die Stromsteuerkennlinie eines Transis- tors gibt die Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom an. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv