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Bipolartransistoren 12:54 min

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Transkript 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!

Videos im Thema

Transistor und integrierte Schaltkreise – Computer und Hardware (2 Videos)

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Bipolartransistoren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bipolartransistoren kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Vorgänge an einer Diode abhängig von der Polung der angeschlossenen Spannungsquelle.

    Tipps

    Im n-Bereich herrscht durch die entsprechende Dotierung ein Überschuss an Elektronen (negativer Ladung).

    Im p-Bereich herrscht durch die entsprechende Dotierung ein Überschuss an Löchern (positiver Ladung).

    Lösung

    Eine Diode besteht aus einem n- und einem p-Bereich. Im n- Bereich überwiegen durch Dotierung negative Ladungsträger (Elektronen), im p-Bereich hingegen positive Ladungsträger (Löcher). Beim Kontakt von n- und p-Bereich bildet sich durch Rekombination der Ladungsträger in der Diode eine Sperrschicht aus.

    Legt man eine Gleichspannungsquelle an die Diode an, so zeigt diese je nach Polung zwei verschiedene Verhaltensweisen: Ist der Pluspol mit der p-Schicht verbunden und der Minuspol mit der n-Schicht, so leitet die Diode den Strom. Man sagt, sie ist in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen der n-Schicht bewegen sich Richtung Pluspol, die Löcher der p-Schicht wandern in Richtung des negativen Pols. Dadurch entsteht eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, es fließt ein Strom.

    Bei umgekehrter Polung hingegen vergrößert sich die Sperrschicht in der Diode, sie ist in Sperrrichtung geschaltet. Die Elektronen bewegen sich erneut in Richtung Pluspol, die Löcher wandern in Richtung Minuspol.

    Dioden finden beispielsweise als Leuchtdioden (siehe oben) Anwendung oder sie dienen der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.

  • Ordne die Bauelemente den Dioden oder den Transistoren zu.

    Tipps

    Aus wie vielen unterschiedlich dotierten Bereichen (p/n) besteht eine Diode?

    Aus wie vielen unterschiedlich dotierten Bereichen (p/n) besteht ein Transistor?

    An wie viele Spannungsquellen wird eine Diode angeschlossen?

    An wie viele Spannungsquellen wird ein Transistor angeschlossen?

    Lösung

    Dioden bestehen aus einem p-Bereich und einem n-Bereich. Das Schaltzeichen der Diode verfügt über zwei Anschlüsse, so dass zum Beispiel eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden kann. Die Pfeilrichtung des Schaltzeichens gibt die Durchlassrichtung der Diode an.

    Transistoren bestehen aus insgesamt drei Bereichen: einem p-Bereich und zwei n-Bereichen (npn-Transistor) oder umgekehrt (pnp-Transistor). In der Schaltung sind sie daran zu erkennen, dass sie drei Anschlüsse besitzen, also insgesamt zwei Spannungsquellen angeschlossen werden können. Im Schaltbild sind im Allgemeinen Basis, Emitter und Kollektor wie in der nebenstehenden Abbildung nicht beschriftet und der Transistortyp kann nur durch den kleinen Pfeil identifiziert werden. Bei dem gezeigten Transistor handelt es sich um einen npn-Transistor.

  • Beschreibe den Aufbau und die Vorgänge am npn-Transistor.

    Tipps

    Beachte die Abbildung. Welche Polungen erkennst du und in welche Richtungen fließen demnach die Ströme?

    Zur Steuerung eines großen Stroms wird ein kleiner Strom benötigt.

    Lösung

    Der npn-Transistor besteht aus zwei n-Bereichen, die durch einen dünnen p-Bereich voneinander getrennt sind. Der p-Bereich ist die so genannte Basis des Transistors.

    Verbindet man die Basis mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle und den Emitter mit dem negativen Pol, so fließen die überschüssigen Elektronen des Emitterbereiches zur Basis in Richtung des positiven Pols. Diesen Stromfluss bezeichnet man als Basisstrom.

    Da der p-Bereich sehr dünn ist und wenig Löcher besitzt, fließen die Elektronen aus dem Emitterbereich außerdem auch zum Kollektor, an den eine zusätzliche Spannungsquelle mit dem positiven Pol angeschlossen ist. Dadurch fließt zusätzlich zum Basisstrom auch ein Emitterstrom.

    Der Emmiterstrom lässt sich über den Basistrom steuern. Ein kleiner Basisstrom steuert dabei einen großen Emitterstrom.

  • Leite dir ab, welche Ladungen in welche Richtungen beim pnp-Transistor fließen.

    Tipps

    Die Polungen der Spannungsquellen sind beim pnp-Transistor gegenüber dem npn-Transistor vertauscht.

    Welche Ladungsträger sind im Überschuss im Emitter vorhanden?

    Lösung

    Bei einem pnp-Transistor bewegen sich keine Elektronen aus dem n-Bereich des Emitters, sondern Löcher aus dem p-Bereich des Emitters.

    Demnach muss die Polung der beiden Spannungsquellen genau umgekehrt sein zur Polung am npn-Transistor. Die positiv geladenen Löcher bewegen sich dabei einmal vom Emitter in Richtung negativ gepolter Basis und erzeugen so den Basisstrom. Zum anderen überqueren sie ebenfalls die dünne Grenzschicht und bewegen sich als Kollektorstrom in Richtung des negativ geladenen Kollektors.

    Das Schaltzeichen für den pnp-Transistor ist in der nebenstehenden Abbildung gezeigt. Der kleine Pfeil gibt die technische Stromrichtung (also die Richtung der Bewegung der Löcher) an.

  • Analysiere den Versuchsaufbau zur Messung des Kollektorstroms an einem npn-Transistor in Abhängigkeit von der Basisspannung.

    Tipps

    Ordne zunächst Basis, Kollektor und Emitter zu.

    Ergänze dann sinngemäß die Spannungs- und Stromstärkeangaben.

    Welche Polungen werden zum Fließen des Basis- und des Kollektorstroms benötigt?

    Lösung

    Die Abbildung zeigt den vollständig beschrifteten Schaltplan.

    Im Versuch kann nun die Basisspannung $U_{BE}$ variiert werden und in Abhängigkeit von dieser Spannung die Kollektorstromstärke $I_{CE}$ gemessen werden. Mit Hilfe dieser beiden Größen kann anschließend die Kennlinie des Transistors in ein Diagramm gezeichnet werden.

  • Werte die gezeigte Kennlinie eines npn-Transistors aus.

    Tipps

    Transistoren können als Verstärker oder als Schalter eingesetzt werden.

    Lösung

    Im Bereich von 0 Volt bis 0,2 Volt (Sperrbereich) zeigt sich bei der Kennlinie des untersuchten Transistors ein waagerechter Abschnitt auf der x-Achse. Am Transistor liegen geringe Basisspannungen an, aber es tritt kein Kollektorstrom auf. Der Transistor sperrt den Stromfluss in diesem Bereich.

    Im Bereich von 0,2 Volt bis 1,0 Volt (Verstärkerbereich) zeigt die Kennlinie des untersuchten Transistors eine Gerade. Am Transistor liegen mittlere Basisspannungen an und es tritt ein Kollektorstrom auf, der mit zunehmender Basisspannung wächst. Der Transistor zeigt in diesem Bereich seine Verstärkereigenschaften.

    Ab einem Wert von 1,0 Volt (Leitungsbereich) zeigt die Kennlinie des untersuchten Transistors eine Parallele zur x-Achse. Am Transistor liegen hohe Basisspannungen an und es tritt ein Kollektorstrom auf, der einen festen Wert, den Maximalwert 40,0 mA, besitzt. Der Transistor zeigt in diesem Bereich seine Leitungseigenschaften. In Kombination mit dem Sperrbereich kann der Transistor somit als Schalter (an/aus) verwendet werden.

    Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau verschiedener Transistoren. Kaum ein elektronisches Gerät, in dem nicht Transistoren als Schalter oder Verstärker eingebaut sind.