Sexl Physik 7, Schulbuch

Emitter (E) Basis (B) Kollektor (C) n n p A A I C I E Sperrschicht U EB U CB A I B 31.1 Legt man an die Basis eines npn- Tran- sistors eine gegen den Emitter positive Span- nung, so fließen Elektronen in die Basis. Die meisten diffundieren zum Kollektor, daher ist der Kollektorstrom wesentlich stärker als der Basisstrom . Transistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten (pnp oder npn). Neben Flächen- transistoren gibt es zahlreiche andere Arten von Transistoren. Für die Compu- tertechnik sind z. B. Feldeffekttransistoren (FET 31.4 ) wichtig. Alle Arten von Transistoren haben gemeinsam, dass sie aus verschieden stark dotierten n- und p-Halbleitern aufgebaut sind. Sie dienen als regelbare Stromventile, wobei kleine Ströme bzw. Spannungen große Ströme schalten und regeln. Transistoren werden als Schalter und Verstärker eingesetzt. Untersuche, überlege, forsche: Vom Sand zum Chip 31.1 W 2 Internetrecherche: Informiere dich über die Herstellung von Bauteilen für Halbleiterbauelemente (Herstellung von Reinsilicium, Wafer, Fotomaske, Fotolitho- grafie, Dotierung, Aufbau von isolierenden Oxidschichten, …). 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. ( 31.1 ) (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 Kollek- tor fließende Strom von Elektronen, der Kollektorstrom , ist bis zu tausendmal grö- ßer als der Elektronenstrom vom Emitter zur Basis ( Basisstrom ). 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. Experiment: Transistor – Steuerung des Kollektorstroms 31.1 Du brauchst : npn-Transistor, zwei Spannungsquellen, Regelwiderstand, Lämpchen (Verbraucher), Amperemeter, Voltmeter. E 1 Baue die Schaltung wie in 31.2 auf. Untersuche die Abhängigkeit des Kol- lektorstroms vom Basisstrom und von der Spannung U BE . In 31.2 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. + 0,6V 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 lei- tend. 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 Spannungs- schwelle für U BE bleibt der Kollektorstrom konstant. Transistoren können daher 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 ( 31.3 ) abgelesen werden kann. 31.2 Der Basisstrom wird mit einem variablen 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 31.3 Die Stromsteuerkennlinie eines Transistors gibt die Abhängigkeit des Kollektor- stroms vom Basisstrom an. - - + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Source (S) Gate (G) Drain (D) n n p 31.4 Legt man an das „Tor“ (Gate) eines Feldeffekt-Transistors (FET) eine positive Span- nung, so werden die Elektronenlöcher wegge- drängt, wodurch sich der n-leitende Kanal unter dem Tor verbreitert. Der Strom der Elekt- ronen zwischen Source (Quelle) und Drain (Senke) wird durch die Spannung am Tor (Gate) gesteuert. (rot: p-leitende Unterlage, blau: n-leitendes Silicium, grau: isolierendes Siliciumoxid) 31 | ERWEITERUNG Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv