Aufbau und Funktionsweise eines Transistors

Im Unterschied zur Diode, besitzt der Transistor einen weiteren Anschluss (Basis), welcher zur Steuerung des Stromes dient.
Beim NPN-Transistor werden zwei n-dotierte Schichten durch eine p-dotierte Schicht getrennt.
Diese Schichten sind mit Metallelektroden kontaktiert und stellen die Anschlüsse eines Transistors dar, nämlich:

  • Basis (B)

  • Collector (C)

  • Emitter (E)

 

Beim Transistor (Bipolartransistor) ergeben sich somit zwei pn-Übergänge. Einmal von der Basis auf den Collector und einmal von der Basis auf den Emitter. Vereinfacht können diese als Raumladungszone zweier Dioden angesehen werden. Der Nachbau eines Transistors mit zwei Dioden ist allerdings nicht möglich.

Aufbau eines NPN-Transistors
Aufbau eines PNP-Transistors
Schaltzeichen von NPN- und PNP-Transistoren
Funktionsweise eines PNP-Transistors
  • Der Emitter (p-dotiert) hat Löcher als freie Ladungsträger.

  • Wenn eine +Spannung zwischen Basis und Emitter UBE  angelegt wird, wird die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter abgebaut und die Löcher wandern in die Basis-Zone. (Ladungsträgerinjektion)

  • Die positiven Löcher vom Emitter kommend, gelangen in die breite Sperrschicht zwischen Basis und Collector. Diese Sperrschicht hat ein sehr starkes elektrisches Feld.

  • Die eingedrungenen Ladungsträger werden nun vom elektrischen Feld in RichtungCollector beschleunigt. (Ladungsträgerfalle)

  • Ziel: Möglichst viele Ladungsträger sollen vom Emitter kommend zum Collector gehen. Daher muss die Basis sehr dünn sein. (ca. 1um)

  • Mit einem kleinen Basistrom kann man daher einen sehr großen Collectorstrom und mit einer kleinen Basisspannung eine große Collector-Emitter-Spannung steuern.

Funktionsweise eines NPN-Transistors
  • Diese lässt sich von der Funktionsweise eines PNP-Transistors einfach ableiten, wenn man an Stelle der negativ geladenen Elektronen positiv geladene Defektelektronen (Löcher) als Ladungsträger betrachtet und entsprechend alle Spannungen am Transistor umpolt.

Ströme und Spannungen eines Transistors

Betrachtet man die folgende Schaltung eines NPN-Transistors, lassen sich unter Anwendung des Kirchhoffschen Gesetzes die Ströme und Spannungen einfach ableiten.

 

Diese Schaltung wird Emitterschaltung genannt, da der Emitter der gemeinsame Bezugspunkt zwischen Eingang und Ausgang ist. Der Emitter liegt auf konstantem Potential. Wird an der Basis eine Spannung angelegt und überschreitet diese die Diffusionsspannung (ca. 0,7V bei Silizium), wird der Transistor leitend und ein Strom kann vom Collector zum Emitter fließen.

 


IB = 1mA
IC = 99mA
IE = 100mA

Mit einem kleinen Basisstrom kann man also einen sehr großen Collectorstrom steuern! Der Emitterstrom ist die Summe aus Basis- und Collectorstrom.

 

Der Collectorstrom ist um den Faktor B (Gleichstromverstärkung) größer als der Basisstrom.

 

Somit berechnet sich die Gleichstromverstärkung aus:

 

Die Collector-Emitter-Spannung ist die Summe aus Collector-Basis-Spannung und Basis-Emitter-Spannung.

BEISPIEL

  • Eine kleine Änderung des Basisstromes IB bewirkt eine große Änderung des Collectorstromes Ic

  • Eine kleine Änderung der Basis-Emitter-Spannung UBE bewirkt eine große Änderung der Collector-Emitter-Spannung UCE

 

Für einen PNP-Transistor gilt das gleiche Prinzip. Jedoch sind hier die Ströme und Spannungen umgekehr gepolt.

AVR-Mikrocontroller Programmierung in C

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Heimo & Patrick Gaicher