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Dioden, LEDs und Transistoren – Transistoren

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Team Wissensdurst
Dioden, LEDs und Transistoren – Transistoren
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Beschreibung Dioden, LEDs und Transistoren – Transistoren

Was ist ein Transistor?

Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, was ein Transistor ist oder in welchen Geräten ein Transistor verbaut ist. Dir ist es vielleicht nicht bewusst, aber gerade in diesem Moment benutzt du mehrere Milliarden Transistoren, um dir unser Video und diesen Text anzuschauen. Auch in deinem Handy sind weit über eine Millionen dieser Bauteile verbaut. Denn Transistoren sind die Hauptbestandteile elektronischer Schaltungen und damit essentiell für Computer, Laptops und Handys. Dabei kann ein Transistor verschiedene Funktionen erfüllen, wie zum Beispiel die Verstärkung von Signalen.

Wie funktioniert ein Transistor?

Transistor — Aufbau

Ein Transistor besteht per Definition aus zwei Dioden, die in umgekehrter Richtung aneinander gesetzt werden. Dioden sind elektronische Bauelemente, die in eine Richtung einen Stromfluss bei Übertreten eines Schwellenwertes durchlassen und in die andere Richtung den Stromfluss sperren. Eine Diode besteht üblicherweise aus Materialien unterschiedlicher Dotierung. Das bedeutet, dass Fremdatome in das Trägermaterial eingebracht werden. Bei der p-Dotierung werden Elektronen-Akzeptoren implantiert, Elektronen werden also besser aufgenommen und vereinfacht dargestellt angezogen. Bei der n-Dotierung werden Elektronen-Donatoren eingebracht und Elektronen können besser abgegeben werden.

Je nachdem, ob sich bei der Zusammensetzung zweier Dioden die n-dotierten oder die p-dotierten Schichten berühren, unterscheidet man den pnp- und den npn-Transistor. Die drei Schichten, die so entstehen, heißen in beiden Ausführungen Emitter, Basis und Kollektor. Transistoren mit ihren Schichten inklusive Beschreibung kannst du in der folgenden Abbildung sehen:

Transistor Physik, Aufbau und Erklärung!

Transistor — Funktionsweise

Um einen Transistor zu betreiben, benötigen wir zwei Stromkreise. Den Basisstromkreis, auch Primärstromkreis, der Emitter und Basis miteinander verbindet und den Kollektorstromkreis, auch Sekundärstromkreis, der Emitter und Kollektor miteinander verbindet. Dabei liegt in beiden Stromkreisen der Minuspol am Emitter an. Diese Art, einen Transistor zu betreiben, nennt man Emitterschaltung. Eine schematische Darstellung ist in der folgenden Abbildung gezeigt:

Der Transistoreffekt, Funktionsweise eines Transistors einfach erklärt

Die Elektronen, die von den Minuspolen ausgehend durch den Transistor wandern, werden vom Pluspol des Basisstromkreises zur Basis gezogen und wandern von dort zum Pluspol ab. Allerdings ist die Basis so dünn und schwach dotiert, dass ein großer Teil der Elektronen in den Kollektor gelangt und dort zum Pluspol des Kollektorstromkreises wandert. Die Stromstärke im Kollektorstromkreis hängt also von der Spannung im Basisstromkreis ab und ist außerdem wesentlich größer.

Transistor — Kennlinie

Wenn wir ein Diagramm erstellen, in dem wir auf der x-Achse die Basisspannung $U_B$ und auf der y-Achse die Kollektorstromstärke $I_K$ auftragen, erhalten wir die Kennlinie des Transistors. Die Transistorkennlinie und die dazugehörige Schaltung inklusive Transistor-Schaltzeichen siehst du in der folgenden Abbildung:

Transistorkennlinie und Transistorschaltzeichen

Hier ist der Transistor in der Emitterschaltung geschaltet. Das bedeutet, dass die Pole des Kollektorstromkreises mit Emitter und Kollektor, und die Pole des Basisstromkreises mit Emitter und Basis des Transistors verbunden sind. Im Diagramm können wir drei Bereiche unterscheiden. Im ersten Bereich fließt überhaupt kein Strom. Dieses Verhalten können wir leicht verstehen, wenn wir uns den Aufbau des Transistors noch einmal ins Gedächtnis rufen: Der Basisstromkreis stellt einfach eine in Durchlassrichtung gepolte Diode dar. Damit überhaupt ein Strom fließen kann, muss zunächst die Schwellenspannung überwunden werden. Sobald diese erreicht ist, fließt auch im Kollektorstromkreis des Transistors ein Strom, der bei gleichbleibender Kollektorspannung proportional zur Basisspannung anwächst. Das ist der zweite Bereich der Transistorkennlinie. Im dritten Bereich erreicht die Kollektor-Stromstärke dann ein Plateau. Hier entspricht der gesamte Transistor einer in Durchlassrichtung gepolten Diode und es fließt die maximale Kollektorstromstärke.

Transistor: Beispiele

Was macht ein Transistor?

Wie genau die Kennlinie eines Transistors aussieht, hängt vor allem davon ab, wie die einzelnen Bereiche dotiert und aufgebaut sind. So erhält man verschiedene Kennlinien für den Transistor, die unterschiedliche Verwendungen möglich machen.

Wählt man die Dotierung so, dass der zweite Bereich der Kennlinie möglichst breit ist und näherungsweise linear ansteigt, bewirkt innerhalb eines großen Spannungsbereichs eine kleine Änderung der Basisspannung eine große Änderung des Kollektorstroms. Der Transistor dient dann als Verstärker. Das findet zum Beispiel in der Audiotechnik Anwendung, wenn ein Transistor zur Stromverstärkung eines Mikrofonsignals genutzt wird, das über Lautsprecher wiedergegeben werden soll.

Wählt man hingegen die Dotierung so, dass der zweite Bereiche der Kennlinie sehr schmal und steil ist, kann der Transistor als Schalter benutzt werden, der extrem schnell zwischen den Zuständen kein Stromfluss und ungehinderter Stromfluss wechseln kann. Gerade diese Funktion ist extrem bedeutend, denn sie ist die Basis aller Computer, die mit Binärcodes arbeiten.

Dieses Video

In diesem Video lernst du den Aufbau und die Funktionsweise eines Transistors kennen. Du weißt nun, dass Transistoren in unserem Alltag eine große Rolle spielen. Auch zu diesem Thema gibt es interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt.

Transkript Dioden, LEDs und Transistoren – Transistoren

Setzt man zwei Dioden in umgekehrter Richtung aneinander, so entsteht ein neues Bauteil, ein Transistor. Transistoren werden in Geräten als Schalter und Verstärker eingesetzt. Ein Transistor besteht aus drei Schichten: Emitter, Basis und Kollektor. Die mittlere Schicht, die Basis, ist dünner als die beiden anderen. Man unterscheidet pnp- und npn-Transistoren, je nachdem welche Seiten sich berühren. Bei npn-Transistoren bestehen Emitter und Kollektor aus einer n-dotierten Schicht und die Basis aus einer p-dotierten Schicht. Zum Betrieb eines Transistors sind zwei Gleichspannungen erforderlich. Eine zwischen Emitter und Basis, der Basisstromkreis und eine zwischen Emitter und Kollektor, der Kollektorstromkreis. Der Minuspol beider Spannungen liegt am Emitter an. Die Elektronen aus dem Emitter werden vom Pluspol des Basisstromkreises zur Basis hingezogen. Da die Basis aber sehr dünn und gering dotiert ist, fließen die meisten Elektronen nicht über die Basis ab. Stattdessen gelangen sie in den Kollektor und werden zum Pluspol des Kollektorstromkreises gezogen. Die Stromstärke im Kollektorstromkreis ist also abhängig von der Spannung im Basisstromkreis, dabei aber um ein Vielfaches stärker. Betrachtet man als Kennlinie des Transistors ein Diagramm, bei dem auf der x-Achse die Basisspannung und auf der y-Achse die Kollektorstromstärke aufgetragen sind, so erkennt man diese Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Basisspannung sehr deutlich. Man sieht drei unterschiedliche Bereiche. Im ersten Bereich fließt bis zu einem bestimmten Wert noch kein Strom. Emitter und Basis stellen eine Diode dar, die in Durchlassrichtung betrieben wird und bei der erst die Schwellspannung erreicht werden muss. Im zweiten Bereich beginnt der Kollektorstrom zu fließen. Der Anstieg des Kollektorstromes verhält sich proportional zur Basisspannung. In diesem Bereich kann die Basisspannung die Stärke des Kollektorstroms steuern. Im dritten Bereich ist die Emitterbasisstrecke einfach eine in Durchlassrichtung gepolte Diode, die den Strom durchlässt. Die Kennlinien verschiedener Transistoren variieren durch die spezifische Dotierung, die für die jeweilige Anwendung gewünscht ist. Hält man den zweiten Bereich möglichst breit und linear ansteigend, so kann eine kleine Änderung der Basisspannung eine große Änderung im Kollektorstrom verursachen. Der Transistor ist dann ein Verstärker. Ein Signal, zum Beispiel die von einem Mikrofon stammende Wechselspannung, wird somit verstärkt im Kollektorstromkreis wahrnehmbar, in dem dann ein Lautsprecher betrieben wird. Hält man den zweiten Bereich schmal und steil, so wird aus dem Transistor ein schneller Schalter. Die Basisspannung schaltet von kein Stromfluss auf ungehinderten Stromfluss um. Diese Anwendung ist die Basis aller Computer. Hier wird mit den Zuständen kein Strom gleich 0 und Strom gleich 1 gearbeitet.

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Sehr gutes Video! Hat mir für meine Physik-Arbeit am Dienstag sehr geholfen!

    Von Elisabeth W., vor etwa 3 Jahren
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