Grundwissen

Der Transistor-Effekt

Nach dem Versuch über die Diodeneigenschaften des Transistors könnte man der Meinung sein, dass über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors - gleich welche Polung gewählt wird - nie ein Strom fließen kann. Der folgende Versuch, der in drei Varianten dargestellt ist, belehrt und eines anderen. Fahren Sie jeweils mit der Maus über die Zeichnung, um das Versuchsergebnis zu sehen.


Die Strecke XY wird mit der Fingerspanne
zwischen Daumen und Zeigefinger überbrückt.
Die LED leuchtet dann auf.


Die LED leuchtet auf, wenn die
Basis-Emitter-Spannung ca. 0,7 V ist.


Die LED leuchtet auf, wenn die
Basis-Emitter-Spannung ca. 0,7 V ist.

 


Das Auftreten eines Stroms über die Kollektor-Emitter-Strecke, wenn nur die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter ist (beim npn-Transistor), nennt man Transistor-Effekt.


Erklärung des Transistor-Effekts (gilt für npn-Transistor in der Emitterschaltung)

Wesentlich für das Auftreten des Transistoreffekts ist eine sehr dünne Basisschicht mit geringer Dotierung (beim npn-Transistor: geringe p-Dotierung).

  • Die Basis-Emitter-Diode wird durch die Spannung UBE leitend.
  • Aufgrund der in Durchlassrichtung gepolten Basis-Emitter-Diode gelangen Elektronen vom Emitter in die Basis.
  • Diese Elektronen rekombinieren zum geringen Teil mit den Löchern der Basis → es fließt ein kleiner Basisstrom IB.
  • Da die Basis sehr schmal gehalten ist und ihre p-Dotierung sehr schwach ist (d.h. die Rekombination mit den Löchern spielt nicht die entscheidende Rolle), gelangt die überwiegende Mehrheit der aus der Emitterzone kommenden Elektronen (ca. 99%) in die Grenzschicht zwischen Basis und Kollektor bevor sie von der Basisstromquelle abgesaugt werden können.
  • Durch starke elektrische Kräfte werden die Elektronen, welche die B-C-Grenzschicht "überschwemmt" haben in den Bereich des positiv geladenen Kollektors gezogen → es fließt ein Strom im Kollektor-Emitter-Kreis, der wesentlich höher als der im Basis-Emitter-Kreis ist.

Hinweise:

  • Für die Elektronen des Emitters stellt die E-B-Grenzschicht energetisch gesehen einen "Berg" dar, sie müssen durch eine äußere Spannung in diese Grenzschicht geschoben werden.
  • Ebenso stellt die B-C-Grenzschicht für die Löcher der Basis einen "energetischen Berg" dar (vergleichen Sie hierzu die Ausführungen bei der Diode). Für die Elektronen, die vom Emitter aus in die p-Schicht gelangt sind, stellt die B-C-Grenzschicht dagegen eine "energetische Rutsche" dar. Sie werden durch die elektrischen Anziehungskräfte zum Kollektor gezogen.


Die Strompfeile geben die Richtung des technischen Stroms an.

In der nebenstehenden Abbildung sind die Größenverhältnisse der Elektronenströme im npn-Transistor dargestellt:
Eine kleine Änderung der Basisstroms IB zieht eine etwa hundertmal so große Änderung des Kollektorstroms IC nach sich.

Wie oben schon erwähnt, wird die große Stromverstärkung durch eine schwach dotierte, sehr dünne Basisschicht erreicht.
Darüber hinaus verlagert man den Basisanschluss an die Seite, damit ihn die diffundierenden Elektronen nicht so leicht erreichen.
Außerdem gestaltet man die Kollektorfläche deutlich größer als die Emitterfläche. Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Schnitt (Schliff) durch einen Transistor.

 

Ein mechanisches Modell, das die Funktionsweise des Transistors verdeutlichen soll, ist unten dargestellt. Hier ist allerdings der Emitter-Wasserstrom etwas kleiner als der Kollektor-Wasserstrom.