5.3.6 Dioden und Transistoren
Stromleitung in Halbleitern (*)
Video 16: Halbleiter: Eigenleitung und Dotierung (C)
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In Metallen sind die Elektronen frei beweglich. Legt man eine äußere Spannung an, folgen sie dem Potentialunterschied zur positiven Elektrode: Es fließt Strom. Bei Isolatoren hingegen sind die Elektronen fest an die Atomrümpfe gebunden. Wenn eine Spannung angelegt wird, können sie allenfalls polarisiert werden. Es fließt kein Strom.
Ein Halbleiter ist ein Material, dessen Leitfähigkeit zwischen der von Metallen und der von Isolatoren liegt. Das technologisch wichtigste Beispiel für einen Halbleiter ist das Silizium. Im Siliziumkristall sind die Elektronen nicht wie in einem Metall frei beweglich, da sie an die Atomrümpfe gebunden sind. Doch reicht eine geringe Zufuhr von Energie (z.B. thermische Energie) aus, um die Elektronen von den Atomen zu lösen. Dann fließt bei Anlegen einer Spannung ein elektrischer Strom. Dies nennt man die Eigenleitung des Halbleiters. Wenn die Elektronen sich im Halbleiter fortbewegen, spricht man von Elektronenleitung.
An dem Siliziumatom, von dem das Elektron entfernt wurde, entsteht ein Loch mit positiver elektrischer Ladung. Man nennt es auch ein Defektelektron. Auch diese Löcher können sich durch das Kristallgitter bewegen und damit einen elektrischen Strom erzeugen. Man bezeichnet dies als Löcherleitung. Die Löcherleitung kann man sich so vorstellen, dass ein Loch durch ein Elektron des Nachbaratoms aufgefüllt wird. Dadurch entsteht aber in dem Nachbaratom ein Loch. Effektiv ist so ein Loch von einem Atom zum anderen gewandert und führt so eine positive elektrische Ladung mit sich.
Die meisten Halbleiter sind Elemente der vierten Hauptgruppe, besitzen also vier Elektronen in der äußeren Schale. Dies gilt auch für das Element Silizium. Im Siliziumgitter ist daher jedes Siliziumatom mit je vier Nachbaratomen über eine Bindung verbunden. Werden nun gezielt Fremdatome diesem Halbleitermaterial hinzugefügt, kann die elektrische Leitfähigkeit modifiziert werden. Man nennt dies Dotierung.
Atome der fünften Hauptgruppe (z.B. Phosphor) besitzen fünf Elektronen in der äußeren Schale. Fügt man diese dem Silizium-Kristallgitter hinzu, ist an diesen Stellen ein Elektron überzählig, da es für die vier Bindungen im Kristallgitter nicht benötigt wird. Dieses Elektron ist wesentlich beweglicher als die Elektronen, die zur Bindung beitragen und erhöht daher sehr stark die Leitfähigkeit durch Elektronenleitung. Dieses Hinzufügen freier negativer Ladungsträger nennt man n-Dotierung.
Abbildung 5.3.176: n-Dotierung mit Phosphor (C)
Andererseits kann durch das Hinzufügen von Atomen der dritten Hauptgruppe (z.B. Aluminium) an diesen Stellen ein sogenanntes Loch erzeugt werden, da diese Atome nur drei Elektronen in der äußeren Schale besitzen. Dies führt zur Erhöhung der Leitfähigkeit durch Löcherleitung. Dieses Hinzufügen freier positiver Ladungsträger nennt man p-Dotierung.
Abbildung 5.3.177: p-Dotierung mit Aluminium (C)
Funktionsprinzip einer Diode (*)
Video 17: Funktionsprinzip einer Diode (C)
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Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung durchlässt. Es kann also als Ventil für den Strom angesehen werden. Das Schaltzeichen sieht wie folgt aus:
Die Pfeilspitze zeigt dabei die Richtung an, in der die Diode Strom passieren lässt, wobei hier die technische Stromrichtung, also die Bewegung positiver Ladungsträger, gemeint ist. Dies bedeutet, dass die Diode den Strom leitet, wenn links der Pluspol und rechts der Minuspol einer Gleichspannungsquelle angelegt werden. In dieser Konfiguration ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Wenn man die Diode anders gepolt anschließt, leitet sie den Strom nicht. Sie ist dann in Sperrrichtung geschaltet.
Im Folgenden finden Sie zwei Beispiele. Im ersten Beispiel ist die Spannungsquelle so gepolt, dass die Diode sperrt. Die Glühlampe bleibt dunkel:
Im folgenden Beispiel ist die Spannungsquelle umgepolt und die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Die Glühlampe leuchtet:
Abbildung 5.3.178: Schaltzeichen einer Diode (C)
Die Pfeilspitze zeigt dabei die Richtung an, in der die Diode Strom passieren lässt, wobei hier die technische Stromrichtung, also die Bewegung positiver Ladungsträger, gemeint ist. Dies bedeutet, dass die Diode den Strom leitet, wenn links der Pluspol und rechts der Minuspol einer Gleichspannungsquelle angelegt werden. In dieser Konfiguration ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Wenn man die Diode anders gepolt anschließt, leitet sie den Strom nicht. Sie ist dann in Sperrrichtung geschaltet.
Im Folgenden finden Sie zwei Beispiele. Im ersten Beispiel ist die Spannungsquelle so gepolt, dass die Diode sperrt. Die Glühlampe bleibt dunkel:
Abbildung 5.3.179: Diode in Sperrrichtung gepolt (C)
Im folgenden Beispiel ist die Spannungsquelle umgepolt und die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Die Glühlampe leuchtet:
Abbildung 5.3.180: Diode in Durchlassrichtung gepolt (C)
Video 18: Der pn-Übergang (C)
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In einer Diode stoßen zwei verschieden dotierte Schichten von Silizium aufeinander, nämlich p-dotiertes Silizium auf der einen und n-dotiertes Silizium auf der anderen Seite.
An der Grenzschicht kommt es zur Diffusion von Elektronen und Löchern aufgrund des Konzentrationsunterschieds in den einzeln Bereichen, wie in der obigen Abbildung angedeutet. Elektronen und Löcher können Rekombinieren (neutralisieren) und im Gleichgewicht, d.h. ohne äußere Spannung, entsteht schließlich eine Verarmungszone, die als Raumladungszone bezeichnet, siehe diese Abbildung. In der Verarmungszone sind keine freien Ladungsträger mehr vorhanden und es entsteht eine Sperrschicht.
Wird an die p-dotierte Seite ein positives Potential angelegt, so werden die dort frei beweglichen Löcher zum pn-Übergang getrieben. Auf der n-dotierten Seite liegt dann negatives Potential, das die frei beweglichen Elektronen ebenfalls in Richtung pn-Übergang treibt. Am pn-Übergang neutralisieren sich Löcher und Elektronen wieder gegenseitig. So können weiter Löcher vom Pluspol und Elektronen vom Minuspol nachrücken und es fließt ein elektrischer Strom durch die Diode. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Bei den üblichen Dioden fallen in Durchlassrichtung ungefähr ab, d.h. der Strom passiert die Diode natürlich nicht komplett widerstandslos, sondern es müssen dafür ca. von außen angelegt werden.
Wird die Diode entgegengesetzt kontaktiert, also Pluspol an der n-dotierten Seite und Minuspol an der p-dotierten Seite, kann dagegen kein Strom fließen. Denn aus der n-dotierten Seite werden die freien Elektronen vom Pluspol abgesaugt, und aus der p-dotierten Seite werden die freien Löcher entfernt. Dadurch wird die Verarmungszone, d.h. die Zone ohne freie Ladungsträger, vergrößert. Durch diese Verarmungszone kann keine elektrische Ladung transportiert werden und die Diode kann keinen Strom leiten. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.
Funktionsprinzip eines Transistors (*)
Abbildung 5.3.181: pn-Übergang: Diffusion der Elektronen und Löcher aufgrund des Konzentrationsunterschieds. (C)
An der Grenzschicht kommt es zur Diffusion von Elektronen und Löchern aufgrund des Konzentrationsunterschieds in den einzeln Bereichen, wie in der obigen Abbildung angedeutet. Elektronen und Löcher können Rekombinieren (neutralisieren) und im Gleichgewicht, d.h. ohne äußere Spannung, entsteht schließlich eine Verarmungszone, die als Raumladungszone bezeichnet, siehe diese Abbildung. In der Verarmungszone sind keine freien Ladungsträger mehr vorhanden und es entsteht eine Sperrschicht.
Abbildung 5.3.182: pn-Übergang: Durch Diffusion und Rekombination bildet sich eine Sperrschicht, die Raumladungszone. (C)
Wird an die p-dotierte Seite ein positives Potential angelegt, so werden die dort frei beweglichen Löcher zum pn-Übergang getrieben. Auf der n-dotierten Seite liegt dann negatives Potential, das die frei beweglichen Elektronen ebenfalls in Richtung pn-Übergang treibt. Am pn-Übergang neutralisieren sich Löcher und Elektronen wieder gegenseitig. So können weiter Löcher vom Pluspol und Elektronen vom Minuspol nachrücken und es fließt ein elektrischer Strom durch die Diode. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Bei den üblichen Dioden fallen in Durchlassrichtung ungefähr ab, d.h. der Strom passiert die Diode natürlich nicht komplett widerstandslos, sondern es müssen dafür ca. von außen angelegt werden.
Wird die Diode entgegengesetzt kontaktiert, also Pluspol an der n-dotierten Seite und Minuspol an der p-dotierten Seite, kann dagegen kein Strom fließen. Denn aus der n-dotierten Seite werden die freien Elektronen vom Pluspol abgesaugt, und aus der p-dotierten Seite werden die freien Löcher entfernt. Dadurch wird die Verarmungszone, d.h. die Zone ohne freie Ladungsträger, vergrößert. Durch diese Verarmungszone kann keine elektrische Ladung transportiert werden und die Diode kann keinen Strom leiten. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.
Funktionsprinzip eines Transistors (*)
Video 19: Der Transistor (C)
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Ein Transistor besteht aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden, die eine gemeinsame n- bzw. p-Schicht besitzen, z.B. wird zwischen zwei n-dotierte Schichten eine dünne p-dotierte Schicht gebracht. Dies ist ein npn-Transistor, die häufigere Bauform.
Für spezielle Anwendungen werden aber auch pnp-Transistoren eingesetzt. Alle drei Schichten werden elektrisch kontaktiert, der Transistor hat also drei Anschlüsse. Den Kontakt an die mittlere Schicht nennt man Basis (B), die Kontakte zu den beiden äußeren Schichten Kollektor (C) und Emitter (E). Das Schaltzeichen eines Transistors sieht so aus:
Ein Transistor wird meist als Schalter oder als Stromverstärker betrieben. Um die Funktionsweise zu erläutern, wird in der unten stehenden Abbildung eine typische Transistorschaltung gezeigt. Der Stromkreis, der den Verbraucher, hier die Glühlampe, enthält, nennt man den Arbeitskreis. Hier muss die Spannungsquelle so geschaltet sein, dass die technische Stromrichtung durch den Transistor vom Kollektor zum Emitter verläuft, also in Richtung der am Emitter angezeigten Pfeilrichtung.
Der zweite Kreis, in dem eine positive Steuerspannung an der Basis anliegt, ist der Steuerkreis. Von der p-dotierten Basis werden durch die positive Steuerspannung Löcher in den n-leitenden Emitter gepumpt, da an diesem eine negative Spannung anliegt. Die Basis-Emitter-Diode wird also in Durchlassrichtung betrieben. Am Kollektor hingegen liegt eine positive Spannung an, sodass diese Diode eigentlich sperrt.
Überschreitet die Spannung im Steuerkreis eine gewisse Schwelle, kann im Arbeitskreis nun ein Strom fließen. In dieser Hinsicht wirkt der Transistor als Schalter. Mit dem kleinen Strom im Steuerkreis kann daher der große Strom im Arbeitskreis gesteuert werden.
In einem bestimmten Bereich ist der Strom im Arbeitskreis proportional zum Strom im Steuerkreis. Dieses Verhältnis wird als Stromverstärkung des Transistors bezeichnet. Verstehen kann man dieses Verhalten, wenn man sich vor Augen führt, dass die p-leitende Basisschicht sehr dünn ist im Vergleich zu den n-leitenden Schichten. Die Elektronen, die über den Steuerkreis zugeführt werden, diffundieren schnell durch sie hindurch und gelangen zu in den mit dem Pluspol verbundenen Kollektor und werden durch den Arbeitskreis in den Emitter zurück gepumpt. Nur wenige gelangen durch den Emitter direkt wieder in den Steuerkreis. Daher ist der Strom im Steuerkreis sehr viel geringer als der Strom im Arbeitskreis.
Abbildung 5.3.183: Schematische Darstellung eines npn-Transistors. (C)
Für spezielle Anwendungen werden aber auch pnp-Transistoren eingesetzt. Alle drei Schichten werden elektrisch kontaktiert, der Transistor hat also drei Anschlüsse. Den Kontakt an die mittlere Schicht nennt man Basis (B), die Kontakte zu den beiden äußeren Schichten Kollektor (C) und Emitter (E). Das Schaltzeichen eines Transistors sieht so aus:
Abbildung 5.3.184: Schaltzeichen eines Transistors (C)
Ein Transistor wird meist als Schalter oder als Stromverstärker betrieben. Um die Funktionsweise zu erläutern, wird in der unten stehenden Abbildung eine typische Transistorschaltung gezeigt. Der Stromkreis, der den Verbraucher, hier die Glühlampe, enthält, nennt man den Arbeitskreis. Hier muss die Spannungsquelle so geschaltet sein, dass die technische Stromrichtung durch den Transistor vom Kollektor zum Emitter verläuft, also in Richtung der am Emitter angezeigten Pfeilrichtung.
Der zweite Kreis, in dem eine positive Steuerspannung an der Basis anliegt, ist der Steuerkreis. Von der p-dotierten Basis werden durch die positive Steuerspannung Löcher in den n-leitenden Emitter gepumpt, da an diesem eine negative Spannung anliegt. Die Basis-Emitter-Diode wird also in Durchlassrichtung betrieben. Am Kollektor hingegen liegt eine positive Spannung an, sodass diese Diode eigentlich sperrt.
Überschreitet die Spannung im Steuerkreis eine gewisse Schwelle, kann im Arbeitskreis nun ein Strom fließen. In dieser Hinsicht wirkt der Transistor als Schalter. Mit dem kleinen Strom im Steuerkreis kann daher der große Strom im Arbeitskreis gesteuert werden.
Abbildung 5.3.185: Einfache Schaltung mit Transistor (C)
In einem bestimmten Bereich ist der Strom im Arbeitskreis proportional zum Strom im Steuerkreis. Dieses Verhältnis wird als Stromverstärkung des Transistors bezeichnet. Verstehen kann man dieses Verhalten, wenn man sich vor Augen führt, dass die p-leitende Basisschicht sehr dünn ist im Vergleich zu den n-leitenden Schichten. Die Elektronen, die über den Steuerkreis zugeführt werden, diffundieren schnell durch sie hindurch und gelangen zu in den mit dem Pluspol verbundenen Kollektor und werden durch den Arbeitskreis in den Emitter zurück gepumpt. Nur wenige gelangen durch den Emitter direkt wieder in den Steuerkreis. Daher ist der Strom im Steuerkreis sehr viel geringer als der Strom im Arbeitskreis.
Wenn im Aufgabentext nicht anders angegeben, geben Sie die Ergebnisse auf ganze Zahlen gerundet an. Bei Angaben in wissenschaftlicher Schreibweise (Exponentialschreibweise) runden Sie auf zwei Nachkommastellen.