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Grundwissen

Der Transistor-Effekt

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend postiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
  • Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.
Aufgaben Aufgaben

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 uns eines anderen.

Abb. 1 Drei Schaltungen eines npn-Transistors, bei denen die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter wird und dadurch ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließt

Wird die Strecke XY mit der Fingerspanne zwischen Daumen und Zeigefinger überbrückt (linke Animation) oder beträgt die Basis-Emitter-Spannung ca. \(0{,}7\,\rm{V}\) (mittlere oder rechte Animation), so leuchtet die LED auf.

Transistor-Effekt

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.

Stromfluss im Transistor Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Stromkreise in/um einen Transistor

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 (vergleiche 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.

 
Größenverhältnisse der Elektronenströme in einem Transistor Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Größenverhätnisser der Ströme in einem npn-Transistor

In dieser 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.

Dies ist ein mechanisches Modell, das die Funktionsweise des Transistors verdeutlichen soll.

Analogie zu einem offenen bzw. geschlossenen Transistor Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Modellhafte Darstellung eines geschlossenen (links) und eines offenen Transistors (rechts)