Transistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten (pnp oder npn). Neben Flächentransistoren gibt es zahlreiche andere Arten von Transistoren. Für die Computertechnik sind z. B. Feldeffekttransistoren (FET 37.1) wichtig. Alle Arten von Transistoren haben gemeinsam, dass sie aus 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 37.1 W2 Informiere dich über die Herstellung von Bauteilen für Halbleiterbauelemente (Herstellung von Reinsilicium, Wafer, Fotomaske, Fotolithografie, Dotierung, Aufbau von isolierenden Oxidschichten, …) und erstelle dazu eine Zusammenfassung. Welche Rolle spielen dabei seltene Erden? Aufbau und Funktionsweise des npn-Flächentransistors Ein Flächentransistor besteht aus drei Halbleiterschichten. Beim npn-Transistor befindet sich zwischen zwei n-leitenden Bereichen eine sehr dünne p-Leiter-Schicht, ihre Dicke beträgt etwa 10−3 mm. Diese Mittelschicht wird Basis (B) genannt, die anderen Schichten heißen Emitter (E) und Kollektor (C). Jede Schicht trägt einen Kontakt (37.2) (Beim pnp-Transistor liegt eine n-leitende Schicht zwischen zwei p-leitenden Schichten). Durch Anlegen einer Basisspannung UEB 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 Donator-Ionen im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und fließen zur positiven Elektrode. Der dadurch vom Emitter zum Kollektor fließende Strom von Elektronen, der Kollektorstrom, ist bis zu tausendmal größer als der Elektronenstrom vom Emitter zur Basis (Basisstrom). Bei Abschalten der Basisspannung oder Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null. Würden nicht ständig aus der Basis Elektronen abgesaugt, würde sich durch Rekombination von Elektronen mit Löchern eine negative Raumladung aufbauen, die den weiteren Elektronenfluss vom Emitter zur Basis und zum Kollektor verhindern würde. Experiment: Transistor – Steuerung des Kollektorstroms 37.1 Du brauchst: npn-Transistor, zwei Spannungsquellen, Regelwiderstand, Lämpchen, Amperemeter, Voltmeter E1 Suche dir im Internet eine Transistor-Schaltung (z. B. 37.3) mit passenden Widerstandswerten und baue diese Schaltung auf. Untersuche die Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom und von der Spannung UBE. In 37.2 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 UBE 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 UBE den Schwellenwert übersteigt, wird der Transistor leitend. Es fließt im Kollektor-Emitter-Kreis ein Kollektorstrom IC, der über einen weiten Bereich zum viel schwächeren Basisstrom IB proportional ist. III) Oberhalb einer weiteren vom verwendeten Transistor abhängigen Spannungsschwelle für UBE bleibt der Kollektorstrom konstant. Transistoren können daher zwei verschiedene Funktionen erfüllen: Transistor als Schalter: Bei Betrieb in den Bereichen I und III fungiert der Transistor als Schalter zwischen den Zuständen „ein“ und „aus“. Transistor als Verstärker: Im Bereich II regelt ein kleiner Basisstrom einen großen Kollektorstrom. Als Verstärkungsfaktor bezeichnet man den Quotienten IC / IB, der aus dem Diagramm der Stromsteuerkennlinie (37.4) abgelesen werden kann. 37.1 Legt man an das „Tor“ (Gate) eines Feldeffekt-Transistors (FET) eine positive Spannung, so werden die Elektronenlöcher weggedrängt, wodurch sich der n-leitende Kanal unter dem Tor verbreitert. Der Strom der Elektronen 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) - - + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Source (S) Gate (G) Drain (D) n n p 37.2 Legt man an die Basis eines npn-Transistors eine gegen den Emitter positive Spannung, so fließen Elektronen vom Emitter in die Basis. Die meisten diffundieren zum Kollektor, daher ist der Kollektorstrom wesentlich stärker als der Basisstrom. Emitter (E) Basis (B) Kollektor (C) n n p A A IC IE Sperrschicht UEB UCB A IB 37.3 Der Basisstrom wird mit einem variablen Widerstand R geregelt. Kollektor- und Basisstrom werden gemessen. 37.4 Die Stromsteuerkennlinie eines Transistors gibt die Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom an. Kollektorstrom in mA 0 0 60 70 80 20 40 5 10 15 20 25 Basisstrom in Aµ 37 Erweiterung 3 Halbleiter Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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