Neuauflage des Detektors

Der Kristalldetektor beherrschte die Technik der Funkempfangsgeräte etwa zwei Jahrzehnte lang, ehe er durch die Elektronenröhre, die neben der gleichrichtenden auch verstärkende Wirkung brachte, verdrängt wurde. Auf Grund der dadurch weitaus vielfältigeren Einsatzmöglichkeiten trat sie einen Siegeszug an. Damals war freilich nicht voraussehbar, dass sich die Nachkommen des Detektors in Form von Dioden, Transistoren und später der integrierten Schaltkreise einmal noch schneller durchsetzen sollten. Schon 1941 erlebte der Detektor eine Neuauflage als Germanium-Spitzendiode vor allem für die Radartechnik, die Frequenzen bediente, denen sich die Röhre noch nicht gewachsen zeigte. Zwischendurch war Brauns Sulfidkristall-Effekt längst auch auf flächenhafte Strukturen übertragen worden, was schon 1926 zum Kupferoxydul- und 1928 zum Selengleichrichter geführt hatte. Die Entwicklung dieser Bauelemente erfolgte noch rein empirisch, denn erst in den vierziger Jahren schuf man eine umfassende Theorie all der Phänomene um "Halbleiter plus Metall". Sie lieferte schließlich die Grundlage für reine Halbleiterbauelemente, die nur noch aus einem Kristall unterschiedlicher Leitfähigkeitsstufen bestanden.

Kristall kann verstärken

Auf dem geschaffenem theoretischen Fundament der Festkörperphysik begann nun vielerorts die Forschung zu einer weitergehenden praktischen Nutzung. Ende 1947 führte sie zu einer Erfindung, die im wahrsten Sinne des Wortes Furore machte und ein neues Zeitalter der Elektronik einleitete: dem Transistor. Der nur gleichrichtende war zum verstärkenden Kristall geworden. mit dem Transistor existierte zum ersten mal ein steuerbares, verstärkendes Halbleiterbauelement. Am 26. Juni 1948 wurde die Erfindung in den USA unter der Nummer 152 403 5 patentiert; die „Geburtsurkunde“ der modernen Festkörperelektronik.
Das „Baby“ sollte sich schnell entwickeln. 1956 erhielten seine „Eltern“, die Physiker John Bardeen, Walter Brittain und William Shockley den Nobelpreis. Die Erfindung des Transistors löste eine Lawine von Entwicklungen und Fortschritten aus.
Neue Technologien und Herstellungsverfahren für reinste Werkstoffe, ständig neue Transistorformen und -typen, aber auch eine Vielzahl anderer Halbleiterbauelemente und neue Anwendungsbereiche der Elektronik überhaupt. Die Vorteile des Transistors gegenüber der Elektronenröhre waren gravierend:

• wesentlich kleinere Masse

• geringere Abmessungen

• niedrigerer Leistungsbedarf

• störunanfälliger

• mechanisch belastbarer

• Wegfall der Heizspannungen

Was aber seinerzeit wohl selbst die Erfinder des Transistors noch nicht voraussehen konnten, waren die „Folgewirkungen“, seine Nachkommenschaft.

Spitzen auf Germanium

Wie die Diode, begann auch der Transistor seinen Entwicklungsweg zunächst als Spitzentransistor, so wie ihn seine Erfinder realisierten: auf einem elektronenleitenden (n-leitenden) Germaniumkristall befanden sich in etwa 20 µm Abstand zwei metallische Phosphorbronzespitzen, in deren unmittelbarer Umgebung durch einen Formierungsprozess defektelektronenleitende (p-leitende) Zonen erzeugt wurden. Damit war für den Transistoreffekt die wichtige fundamentale Zonenfolge p-n-p geschaffen, Vorfahr aller folgenden Transistorentwicklungen, später in der heute bedeutenderen Folge n-p-n. Diese ändert nichts am Prinzip, lediglich am Ablauf der physikalischen Detailprozesse mit letztlich gleicher Wirkung. Spätere Entwicklungen brachten vor allem Fortschritte in der Technologie.
Der Transistor revolutionierte in kurzer Zeit wesentliche Bereiche der Nachrichtentechnik und Informationsverarbeitung, führte zur Verbesserung vieler Geräte und Systeme, zur Automatisierung zahlreicher Prozesse. Ein äußerlich unscheinbares, innerlich um so anspruchsvolleres Festkörperbauelement leitete das Zeitalter der wissenschaftlich-technischen Revolution auf dem Gebiet der Elektronik ein, wurde zu ihrem Symbol und Träger,  weit über die Grenzen der eigentlichen Elektronik hinaus.

Transistor war zu groß

Dem Spitzentransistor folgte schon 1951 der Legierungstransistor und 1953 der Drifttransistor. 1954 verwendete man Silizium als neuen Werkstoff. Schon ab etwa 1956 konzentrierte sich die Weiterentwicklung von Transistoren vorrangig auf Silizium-Typen und -technologien, nachdem mit sogenannten Mesatransistoren die Entwicklung der Germaniumtransistoren einen gewissen Abschluss erreicht hatte.
1958 entwickelte Jean Hoerni die Silizium-Planartechnologie die 1960 industriell eingeführt, zur Grundlage der weiteren Entwicklung wurde. Damit konnte der bereits 1952 von dem englischen Physiker G. W. A. Dummer geäußerte Gedanke, an Stelle eines einzelnen Transistors mehrere Bauelemente gleichzeitig in einem Stück Halbleitermaterial zu integrieren, nunmehr technologisch verwirklicht werden. Die ersten integrierten Halbleiterchips enthielten zunächst nur wenige Bauelemente. aber jede neue Entwicklung brachte neue Erfolge. Die Zahl der Bauelemente pro Chipfläche stieg schnell, die inneren Strukturabmessungen konnten kontinuierlich verringert werden. Der Klein- folgte die Mittel- und schließlich die Groß- und Größtintegration. Seit 1960 hat sich die Zahl der Bauelemente je Halbleiter pro Jahr verdoppelt. Einige 10 hoch vier Transitorfunktionen pro Chip sind heute Standard, bis zu 10 hoch fünf bereits realisiert. 10 hoch sechs Funktionen auf nur rund 20 Quadratmillimeter großen Chips sind keine Utopie mehr, sondern konkrete Entwicklungszielstellungen. das aber heißt, dass ein 100 Quadratmillimeter großes Halbleiterblättchen die Zentraleinheit eines ESER Rechners 1040 enthalten. Natürlich sind für die elektronische Technik von heute noch einzelne Transistoren und Schaltungen aller Integrationsstufen von Bedeutung. Qualitativ neuartige Lösungen wurden aber erst mit Hilfe der hochintegrierten Schaltkreise geschaffen. Denken wir nur an die Mikroprozessoren und Halbleiterspeicher.
Und wohin führt dieser Weg noch? 1985 werden mehrere Millionen Bauelemente pro Chip erreicht sein, 1990 nach Expertenmeinung die technologische Grenze heutiger Technologien, wenn die Strukturelemente eines Transistors noch etwa 2 µm auf einem Chip ausmachen. dann aber könnte eine Fläche von 50 Quadratmillimetern etwa 25 Millionen Bauelemente aufnehmen - Zahlen, die zweifellos jenseits unseres Vorstellungsvermögens liegen

Wesen des Transistors ist, das die Kollektor-Emitterstrecke unter bestimmten Umständen elektrisch leitend wird und unter anderen eben nicht. Fließt ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke, so wird dieser auch bezogen auf den Basisstrom verstärkt.
Transistoren sind Halbleiterbauelemente mit zwei eng beieinander liegenden pn-Übergängen. Je nach Dotierung liegt die Zonenfolge pnp oder npn vor. Neben den hier angeführten sogenannten bipolaren Transistoren werden noch Transistoren hergestellt, die auf ganz anderen Prinzipien beruhen, die sogenannten Feldeffekttransistoren. Die meisten der heute hergestellten Transistoren sind Si-npn-Typen. Deshalb erfolgt die vereinfachte Beschreibung der Vorgänge im Transistor für npn-Typen. Diese Überlegungen gelten analog auch für pnp-Typen.
In den Experimenten werden neben Ge-pnp-Typen auch Si-npn-Typen verwendet. Für sich betrachtet, haben die pn-Übergänge eines Transistors Eigenschaften einer Halbleiterdiode. Die besonderen Eigenschaften eines Transistors treten erst im Zusammenwirken der Vorgänge in den drei Zonen und den dazugehörigen Grenzschichten auf. Aus dem Gesagten geht hervor, dass einzelne Transistorstrecken wie Halbleiterdioden eingesetzt werden können, die Basis-Emitter-Diode von Si-Transistoren eignet sich nicht selten als Z-Diodenersatz.

• Untersuchen Sie das elektrische Verhalten eines Transistors! 
• Wiederholen Sie das Experiment 1 mit einem npn-Transistor! Vergleichen Sie das Verhalten von pnp und npn-Transistoren!
• Nehmen Sie die Kennlinie der Basis-Emitter-Diode eines Si-npn-Transistors auf!

Bestimmen Sie die Kollektorstromstärke eines Transistors bei offener Basis!

• Werden an einen Transistor Spannungen so angelegt, dass die Basis-Emitter-Strecke in Durchlassrichtung und die Basis-Kollektor-Strecke in Sperrrichtung gepolt ist, so fließt ein Basisstrom und ein Kollektorstrom.
• Der Kollektorstrom ist um ein Vielfaches größer als der Basisstrom.
• Untersuchen Sie den Einfluss eines Basisvorwiderstandes bei einem in Emitterschaltung geschalteten Transistor!
• Messen Sie zusätzlich den Basisstrom!
• Stellen Sie die Funktion I_C = f(I_B) in einem Diagramm dar! 

Als aktives Element in der Dauerschaukel bringt der Transistor LEDs zum Leuchten, lässt Strom durch den Magneten fließen und teilt Frequenzen. Aber was geht in ihm vor? Dieser Frage gehen wir nach und sehen uns dabei die Grundlagen seiner Funktionsweise an. Dazu bauen wir die kleine Schaltung nach Bild unten auf.

kleine Transistorschaltung auf Experimentierplatine gelötet

Der Aufbau ist schnell erklärt. Vom Eingang führt ein Widerstand R, auf die Basis des NPN-Transistors Ti, dessen Emitter liegt an GND, und vom Kollektor geht es über den Widerstand RZ und die LED1 zum Pluspol der Versorgungsspannung ... Stopp! Was sind eigentlich Basis, Emitter und Kollektor und was bedeutet „NPN"?
Ein Transistor hat in der Regel drei Anschlüsse, sie bezeichnet man als Basis, Emitter und Kollektor. Das Schaltzeichen für einen Transistor zeigt Bild 2. Um zu erklären, wie der Transistor funktioniert, steigen wir wieder in die Physik und den Aufbau ein. Wie du bei der Vorstellung von Strom, Spannung und Widerstand (CO DL 11/03, S. 788ff., 1/04, S. 40ff.) sehen konntest, teilen sich unsere Materialien in leitende und nichtleitende Stoffe. In den meisten Fällen ist das aktive Element eines Transistors aus Silizium hergestellt. Silizium ist ein chemisches Element und kommt auf der Erde sehr häufig vor. Zum Beispiel besteht Sand aus Silizium und Sauerstoff. Es ist ein nichtleitendes Material, das aber bei „Verunreinigung" einen mehr oder weniger guten Stromfluss zulässt.
Wie wirkt diese „Verunreinigung"? Dazu sieh dir Bild 3 an.
In Bild 3a liegt eine homogene (gleichartige) Kristallstruktur vor. Bei ihr wird jeder Atomkern (rot) von vier Elektronen umkreist.
Im Gegensatz dazu zeigt das Kristallgitter in Bild 3b einen „Fehler". Es ist ein Atomkern eingebaut, der fünf Außenelektronen besitzt.
Da bei Silizium jeder Atomkern gern acht Außenelektronen sehen möchte (das ist bei beiden Bildern gegeben: jeder Atomkern sieht seine eigenen vier Elektronen und weitere vier der benachbarten Atomkerne), bleibt quasi ein Elektron übrig, das im Gitter keinen Platz mehr hat. Dieses ist frei verschiebbar und ermöglicht das Fließen von Strom.
Obwohl die Summe der positiven Ladungen in den Atomkernen der Anzahl an Elektronen im Gitter entspricht, bezeichnet man ein so „verschmutztes" Silizium als N-dotiert. Es liegen mehr negative Ladungsträger wie im Normalfall (reines Material) vor.
Dotiert bedeutet, dass in das Reinsilizium (Atomkern hat vier Außenelektronen) Atomkerne mit fünf Außenelektronen eingebaut wurden. Also lautet die korrekte Bezeichnung für eine Verschmutzung Dotierung. Dabei kommt etwa auf zehn Milliarden Siliziumatome nur ein Fremdatom, z.B. ein Phosphor- oder Antimon-Atom (beide besitzen jeweils fünf Außenelektronen). Da Silizium halbleitend sein kann, spricht man von einem Halbleitermaterial. Was passiert aber, wenn die Dotierung mit einem Material wie Bor oder Indium erfolgt? Beide besitzen nur drei Außenelektronen, also eins weniger als Siliziumatome. In diesem Fall fehlen Elektronen gegenüber der normalen Menge. Dieser Elektronenmangel erinnert stark an unseren Batterie-Pluspol, bei dem ja ähnliche Verhältnisse herrschen. Dieses Material wird demnach P-dotiert genannt.
Jetzt haben wir schon alles zusammen, um einen Transistor aufbauen zu können: Nimm einen Block mit N-dotiertem Silizium, lege darauf eine dünne Scheibe P-dotiertes Silizium und setze obendrauf noch mal einen N-dotierten Block - fertig ist der NPN-Transistor (Bild 4).
In Bild 4 habe ich auch gleich die Anschlüsse und deren Bezeichnungen eingetragen. Wenn du Bild 4 genau anschaust, wirst du an den Grenzstellen von N- und P-dotiertem Material eine ladungsträgerfreie Zone entdecken. Wie kommt das zu Stande? Ganz einfach: im N-dotierten Material herrscht Elektronenüberschuss, im P-dotierten Material Elektronenmangel. Die „fehlenden" Elektronen habe ich durch positive Ladungen gekennzeichnet. Diese lassen sich natürlich nicht so frei verschieben wie ein Elektron, da sie ja im Atomkern verankert sind. An den Grenzflächen ziehen sich die Ladungsgegensätze an und gleichen
somit die Dotierung aus. Es entsteht quasi eine „ladungsträgerfreie" Zone. Ganz stimmt das nicht, denn die Ladungsträger sind ja noch vorhanden, aber nicht mehr so frei beweglich wie im dotierten Material. Wenn diese trennende Zone so breit geworden ist, dass die Anziehungskraft von P-dotiertem auf N-dotiertes Material nicht mehr ausreicht, dann stoppt der Ladungsträgeraustausch. Dies bezeichnet der Fachmann als Sperrschicht. Die tatsächliche Dicke der Sperrschicht liegt nur bei einigen tausendstel Millimeter.
Jetzt legen wir Spannung an, und zwar so, dass der Minuspol der Batterie am Emitter und der Pluspol (über R3 und die LED) an den Kollektor angeschlossen wird. Der Widerstand RZ verbindet den Basisanschluss mit dem einstellbaren Widerstand Pl, an dessen mittlerem Anschluss eine Spannung U Pl von 0...ca. 3,5 V abgenommen werden kann.
Bild 5 zeigt diese Situation mit U_Pl = 0 V (P, ganz nach links gedreht).
Nun schwenken wir wieder zur physikalischen Stromrichtung, damit wir die Vorgänge im Transistor verstehen können. Der Emitterblock besteht aus N-dotiertem Material, d.h. dass Elektronenüberschuss vorliegt. Die Verbindung mit der Batterie sorgt für weiteren Nachschub von Elektronen, die sich daher in Richtung Basis drängen werden. Allerdings nur bis zur Basis-Emitter-Sperrschicht, denn durch diese quasi ladungsträgerfreie und damit nichtleitende Zone führt vorerst kein Weg. Beim Kollektor liegen genau die um
gekehrten Verhältnisse vor. Am Pluspol der Batterie herrscht Elektronenmangel, der alle verfügbaren Elektronen aus dem N-dotierten Kollektor heraussaugt. Da an der Basis und am Emitter das gleiche Potenzial anliegt, drängen die Elektronen auch in die Basis und besetzen dort die letzten freien Plätze. Damit stehen in der Basis keine frei beweglichen Ladungsträger zur Verfügung. Nun erhöhen wir langsam die Spannung an der Basis durch Drehen von Pl nach rechts. Was bedeutet das für die Ladungen? Mit der Erhöhung der Spannung steigt auch die Anziehungskraft auf die Elektronen in der Basis. Diese wandern aus ihr heraus, und es entsteht wieder eine positiv geladene Basis. Die Basis-Emitter-Sperrschicht trennt aber immer noch die beiden gegensätzlich geladenen„ Pole" (P-Basis und N-Emitter). Mit steigender Basisvorspannung erhöht sich auch die Anziehungskraft der positiv geladen Basis auf der einen Seite der Sperrschicht auf die Elektronen im negativ geladenen Emitter auf der anderen Seite der Sperrschicht. Wird die Anziehungskraft zu groß, dann brechen die Elektronen durch die Sperrschicht in die Basisschicht ein. Jetzt haben sie die Qual der Wahl, es stehen zwei positive Wege zur Verfügung. Weg eins geht zur Basis. Weg zwei führt über den Kollektor (und die LED mit Widerstand R3) an 9 V
Es ist nachvollziehbar, dass die meisten Elektronen, die mit Schwung aus dem Emitter schießen, nicht die Kurve zum Basisanschluss kriegen, sondern den geraden Weg durch die Basisschicht nehmen. Dort werden sie vom Kollektor eingesammelt. Da hast du auch die Erklärung für die Namen der Transistoranschlüsse. Emitter und Kollektor stammen von den lateinischen Verben emittere (aussenden) bzw collegere (sammeln, einsammeln) ab. Die Elektronen werden vom Emitter ausgesandt und vom Kollektor eingesammelt.
Die Basis bestimmt den Stromfluss in der Kollektor-Emitter-Strecke. Der geringe Strom vom Emitter in die Basis und dann zu P, steuert den Hauptstrom, der vom Emitter durch die Basisschicht in den Kollektor fließt.
Ab wann fließt denn Strom durch die LED? Wenn die Anziehungskraft durch eine positive Basisspannung so groß geworden ist, dass die Elektronen am Emitter die Sperrschicht überwinden können. Und wie viel Spannung ist dafür erforderlich? Das können wir nachmessen! Wir drehen P, nach links, schließen unser Voltmeter (Messbereich 2 V) an der Basis und am Emitter an. Jetzt drehen wir P, langsam
nach rechts. Anfangs steigt die Spannung, die LED bleibt dunkel. Ab ca. 0,55...0,6 V verlangsamt sich der Spannungsanstieg, und die LED beginnt zu leuchten. Auch wenn P, voll aufgedreht wird, steigt die Spannung nicht über -0,7 V an. Diese Spannung, Diffusionsspannung genannt, ist charakteristisch für den Spannungsabfall an einem P-N-Obergang, wie er zwischen Basis und Emitter vorliegt. Sie be
trägt an der Sperrschicht je nach Halbleitermaterial und Temperatur zwischen 0,1...0,8 V Germanium: 0,2 V; Seien: 0,4 V; Silizium: 0,6 V Die Temperaturabhängigkeit kannst du experimentell nachweisen. Stell P, so ein, dass die LED gerade zu leuchten beginnt. Jetzt mit einem Lötkolben den Basisanschluss des Transistors erhitzen (Vorsicht: Nicht das Transistorgehäuse berühren!) und das Voltmeter beobachten. Die Spannung sinkt mit zunehmender Temperatur. Wenn du ganz genau hinschaust, erkennst du auch ein helleres Leuchten der LED. Die Basisspannung reduziert sich um ca. 2 mV/C Temperaturänderung. Dieser Effekt wird z.B. bei Temperatursensoren genutzt.
Jetzt wieder zu unserer Schaltung zurück. Wie groß ist denn der Unterschied zwischen Basis- und Kollektorstrom? Aus dem Spannungsabfall U R2, dem Wert von RZ und mit Hilfe des Ohm'schen Gesetzes errechnet sich der Basisstrom zu
1 -Basis = U ez/Rz.
Bei meinem Aufbau beträgt der Basisstrom 1-Basis = 0,000024 A = 2411A.
Der Kollektorstrom wird auf die gleiche Weise bestimmt:
1 Kollektor = U R3/R3 = 0,00677 A = 6,77 mA Und wie groß ist der Emitterstrom? Na, das ist einfach, denn er spaltet sich in Basis- und Kollektorstrom auf, also 1 Enitter = I Basis + 1 Kollektor
Der Emitterstrom ist damit ungefähr so groß wie der Kollektorstrom.
Nun wechseln wir wieder zur technischen Stromrichtung. Dann drehen sich die Stromrichtungen um. Der Basisstrom fließt also in den Transistor hinein und steuert dort den Kollektorstrom.
Und wie viel Basisstrom steuert wie viel Kollektorstrom? Dazu klemmen wir die Batterie ab und ersetzen R3 durch ein Milllampere-Meter (Messbereich 10 mA). Anschließend drehen wir P, nach links und schließen die Batterie wieder an. Jetzt drehen wir langsam P, nach rechts, bis die LED aufleuchtet und das mA-Meter einen Strom von 2 mA anzeigt. Mit einem Digitalvoltmeter messen wir jetzt den Spannungsabfall an RZ. Wie oben gezeigt, errechnet sich der Basisstrom aus dem Spannungsabfall und dem Wert von RZ zu
I Bass = U R2/R2 = 0,69 V/100000 fZ = 0,0000069 A = 6,9 pA.
Diese 6,9 pA Basisstrom verursachen einen Kollektorstrom von 2 mA, das ist rund 290 Mal soviel. Drehe nun P, soweit nach links, bis ein Kollektorstrom von 1,5 mA angezeigt wird. Bestimme mit dem Digitalvoltmeter den Spannungsabfall an RZ und errechne daraus den neuen Basisstrom (ca. 5,2 p?, bei meinem Versuch). Um wie viel stärker ist der Kollektorstrom gegenüber dem Basisstrom? Der LED-Strom reduziert sich auf 1,5 mA, aber das Verhältnis Kollektorstrom zu Basisstrom bleibt in etwa konstant bei 290! Anders ausgedrückt: Der Transistor macht aus einem kleinen Strom an der Basis (Eingang) einen vielfach größeren Strom im Kollektor (Ausgang) - er verstärkt sozusagen den Strom. Das ist eine charakteristische Eigenschaft eines bipolaren (N- und P-dotiertes Material zusammengesetzt) Transistors. Er benötigt einen Steuerstrom und besitzt eine Stromverstärkung. Bei deinem Versuchsaufbau weicht die Stromverstärkung (hier 290) vermutlich erheblich von meinen Messungen ab. In den Datenblättern der Transistoren werden keine genauen Werte für die Stromverstärkung angegeben, sondern Bereiche. Für den Transistor vom Typ BC546 weist das Datenblatt folgende Varianten auf.
Die beiden Varianten ...A und ...B bezeichnet man als Selektion. Häufig gibt es noch eine weitere Selektion, die dann als Variante ...C die höchste Stromverstärkungsgruppe besitzt. Die tatsächliche Stromverstärkung des Transistors in der Schaltung hängt vom Kollektorstrom und der Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter sowie von der Temperatur ab. Bild 6 stammt aus dem Datenblatt des BC-546 der Firma Philips und zeigt den Verlauf der Stromverstärkung hFE über dem Kollektorstrom.
Die horizontale Achse, auch X-Achse genannt, ist logarithmisch geteilt, d.h. jede Dekade hat einen gleich breiten Anteil. Der Bereich von 1...10 mA ist also genauso breit wie der Bereich 10...100 mA. Bei linearer Einteilung wäre letzterer zehn Mal so breit. Mit dieser Darstellung können sehr weite Bereiche übersichtlich gezeigt werden.
Der maximale Kollektorstrom des Transistors BC-546 und alle seiner Selektionen beträgt 100 mA. Aus Bild 6 erkennt man einen weitgehend konstanten Stromverstärkungsverlauf bis etwa 20 mA Kollektorstrom. Danach sinkt er deutlich mit zunehmendem Kollektorstrom ab. Das Bild weist nur den typischen Verlauf bei einer Kollektor-Emitter-Spannung K E) CE) von 5 V aus, d.h. du kannst bei deinem Exemplar durchaus deutlich bessere, aber auch geringere Werte für die Stromverstärkung feststellen. In dem Datenblatt findest du noch weitere wichtige Informationen über den Transistor. Beispielsweise den maximal zulässigen Kollektorstrom (100 mA), die maximal zulässige Kollektor-Emitterspannung (65 V) und die Anschlussbelegung, d.h. die Zuordnung der drei Anschlussdrähte zu Basis, Emitter und Kollektor (Bild 7, aus Datenblatt BC-546 von Firma Philips).
Wozu brauchen wir den Widerstand R3? Für die Bestimmung der Stromverstärkung haben wir R3 durch das Milliampere-Meter ersetzt. Also könnte er doch entfallen, oder? Eigentlich schon, aber ... Unser Transistor hat zwei unschöne Eigenarten: Eine von Exemplar zu Exemplar sehr stark schwankende Stromverstärkung und einen ausgeprägten Hang zur Selbstzerstörung. Die Ursache dafür liegt in der Änderung der Basis-Emitterspannung bei Temperaturänderung. Steigt nämlich die Temperatur, so sinkt die Basis-Emitterspannung. Das hat zur Folge, dass der Basisstrom steigt und damit auch der Kollektorstrom. Eine Erhöhung des Kollektorstroms zieht eine Temperaturerhöhung im Siliziumkristall nach sich („Reibungshitze" beim Durchqueren des Siliziums). Dadurch sinkt die Basis-Emitterspannung usw. Das wiederholt sich solange, bis der Transistor überhitzt wird. Entweder er brennt wie eine Sicherung durch oder er bekommt einen Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter. Die wirksamste Methode zur Verhinderung dieser Kettenreaktion ist die Begrenzung des Kollektorstroms durch einen Widerstand. Und genau diese Aufgabe übernimmt R3. Damit unsere Transistorstufe unabhängig von Exemplarstreuungen bzgl. Stromverstärkung wird, reduzieren wir den Basiswiderstand RZ auf z.B. 10 kfl. So dimensioniert, eignet sich praktisch jeder NPN-Kleinsignaltransistor als aktives Element in unserer LED-Anzeigetreiberschaltung.
Oben habe ich die unterschiedlichen Dotierungen beschrieben und gesagt, dass damit alle für den Aufbau eines Transistors
erforderlichen Materialien vorliegen. Dann haben wir P- auf N- dotiertes Material gestapelt und noch einen N-dotierten Block draufgelegt.
Was passiert aber, wenn ein P-Block mit einer dünnen N-Scheibe belegt wird und obendrauf ein P-Block kommt (Bild 8), ist das auch ein Transistor?
Auch das ergibt einen Transistor. Bei der Verdrahtung eines PNP-Typen für unsere Schaltstufe muss die Polarität umgedreht werden, da ja auch der interne Aufbau umgekehrt ist
Das bedeutet, der Emitter wird am Pluspol angeschlossen und R3 sowie die LED nach GND geschaltet. Die LED leuchtet auf, wenn die Spannung an der Basis kleiner ist als die Spannung am Emitter (bei einem NPN-Transistor muss sie größer sein). Bild 9 zeigt den geänderten Aufbau für eine PNP-Schaltstufe.
Lässt man R, und P, bei beiden Schaltstufen weg, zeigt sich noch ein Unterschied zwischen NPN und PNP Der NPNTransistor schaltet durch, wenn eine Spannung an Rz gelegt wird und damit Strom in ihn fließt (technische Stromrichtung). Der Spannungsbereich erstreckt sich hierbei von etwa 0,6...9 V
Bei einem PNP-Transistor leuchtet die LED so lange wie die Spannung an RZ zwischen 0...8,4 V liegt. Die 8,4 V ergeben sich aus der Rechnung BetriebsspannungDiffusionsspannung, also
9V-0,6V=8,4V
Hier liegt auch ein P-N-Obergang vor. Beim NPN-Transistor addiert sich die Diffusionsspannung zur Emitterspannung, beim PNP-Transistor subtrahiert sie sich. Hinsichtlich Stromverstärkung, maximaler Kollektorstrom, maximal zulässige Kollektor-Emitterspannung, Temperaturempfindlichkeit und „Selbstzerstörung$-Gefährdung" gilt auch beim PNP-Transistor das bereits beim NPN aufgezeigte Verhalten. In der Praxis werden wesentlich mehr NPN-Transistoren eingesetzt.
Bild 10 zeigt eine Halbbrücke, bestehend aus einem NPN- und einem PNPTransistor. Die beiden antiparallel geschalteten LEDs stellen die Brücke dar. Je nach Ansteuerung (Spannung, die mit P, eingestellt wird) leitet z.B. der PNPTransistor - der Strom fließt von GND über die Kollektor-Emitterstrecke von T2, die LED2 und Rz zum Pluspol (+9 V). Im anderen Fall fließt der Strom über T,, LED, und R3 nach GND. Wenn P, in Mittelstellung steht, leuchtet keine der beiden LEDs. Aus der Batterie fließt trotzdem ein relativ großer Ruhestrom durch die Widerstände RZ und R3 (und P,). Werden diese beiden Widerstände auch durch Transistoren ersetzt, reduziert sich der Ruhestrom erheblich, nämlich nur noch auf den durch P, fließenden Anteil (ca. 1/100 des vorherigen Ruhestroms!). Bei vier Transistoren spricht man dann von einer Vollbrückenschaltung. Diese arbeitet als elektronischer Umschalter. Werden die LEDs gegen einen Elektromotor ausgetauscht, bestimmt die Ansteuerspannung an R, die Drehrichtung des Motors.
Das war wieder ein hartes Stück Arbeit. Wer fleißig mitmacht und die Schaltungen selbst aufbaut, bekommt einen Eindruck von der Funktionsweise von Transistoren und Widerständen. Dazu ist auch ein entsprechender Bauteilesatz mit den Platinen und den genannten Bauelementen erhältlich. Der Funky-Bastlerbeutel kostet 10 € inklusive Versand, du bekommst ihn bei Helmut Berka, DL2MAJ, Dornbuschweg 11, 86836 Obermeitingen, d12mai@ darc.de. Helmut Berka, DL2MAJ

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Bild 7: Anschlussbelegung des BC-546 (links: Blick von unten auf die Anschlüsse

Bild 3: Reines Silizium (a) und „verschmutztes" Silizium (b)
Bild 4: Aufbau eines NPN-Transistors
Bild 5: Spannung am Transistor bei U P, = 0 V
 

Schaltzeichen eines Transistors

Transistor-Kennlinienfeld

In den einzelnen Quadranten. wird folgendes dargestellt: 

I. Quadrant: Ausgangskennlinienfeld

Das Ausgangskennlinienfeld enthält die für die Dimensionierung einer Transistorstufe wichtigsten Informationen. Es wird der Zusammenhang zwischen der Kollektorspannung U_CE und der Kollektorstromstärke I_C für unterschiedliche, konstante Basisströme dargestellt.

II. Quadrant: Stromübertragungskennlinie

Für die konstante Kollektorspannung U_CE wird der Zusammenhang zwischen der Kollektorstromstärke I_C und der Basisstromstärke I_B dargestellt

III. Quadrant: Eingangskennlinie

Die Darstellung enthält den Zusammenhang zwischen der Basisstromstärke _IB und der Basis-Emitter-Spannung U_BE bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung U_CE.

IV. Quadrant: Rückwirkungskennlinien

Unterschiedliche Kollektorspannungen führen bei konstanten Basisströmen zu Veränderungen der Basis-Emitter-Spannung. Diese Spannungsrückwirkung soll in den folgenden Abschnitten unberücksichtigt bleiben.

Die Kennlinienaufnahme erfolgt mit einer Schaltung nach Bild unten

Meßschaltung zur Aufnahme der Kennlinie

Die Polarität der Spannungen U1 und U2 richtet sich nach, dem Leitfähigkeitstyp des zu untersuchenden Transistors:

Durchführung

1. Lassen Sie sich vom AG-Leiter die Grenzwerte des Transistors nennen, die während des Experimentes nicht überschritten werden dürfen!

2. Bereiten Sie Meßwerttabellen und ein Koordinatensystem vor! Tragen Sie in das Koordinatensystem die Verlustleistungskurve ein! Sie erhalten einzelne Punkte dieser Kurve, indem Sie für unterschiedliche Spannungen U_CE die zugehörigen Ströme IC mit Hilfe der Gleichung

3. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 55/1 auf!

4. Stellen Sie eine Kollektor-Emitter-Spannung U_CE = 1 V, 2 V, . . . ein!

5. Stellen Sie, bei Null beginnend, unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen U_UE ein, und lesen Sie die zugehörigen Basis- und Kollektorstromstärken ab. Achten Sie dabei darauf, dass die von Ihnen gewühlte Spannung U_CE konstant bleibt bzw. stellen Sie diese Spannung gegebenenfalls bei jeder Messung nach!

6. Mit Hilfe dieser Meßwerte können die Eingangskennlinie und die Stromübertragungskennlinie für die gewählte Spannung U_CE punktweise in das Koordinatensystem eingetragen 
   werden.

7. Stellen Sie eine bestimmte Basisstromstärke ein, verändern Sie die Spannung U_CE und lesen Sie die zugehörigen Werte für I_C ab! Achten Sie besonders darauf, dass I_B konstant bleibt! Mit Hilfe dieser Meßwerte erhalten Sie eine Ausgangskennlinie.

8. Stellen Sie andere Basisstromstärken IB ein und nehmen Sie weitere Ausgangskennlinien auf!

9. Achten Sie bei allen Messungen darauf, dass die Grenzwerte der Bauelemente nicht überschritten werden!

Insbesondere gilt das für die Kollektorverlustleistung, alle Meßpunkte müssen unterhalb der Verlustleistungskurve bleiben. Aus diesem Grunde ist es günstig, die Meßwerte sofort in das Koordinatensystem einzutragen. Auswertung 

Alle Kennlinien sind mehr oder weniger nichtlinear, d. h. dass die Eigenschaften von Transistoren u. a. von den anliegenden Spannungen und den fließenden Strömen abhängig sind. Für den Fall, dass sich die Variablen nur geringfügig ändern, kann man in erster Näherung lineares Verhalten annehmen.
Aus dem Kennlinienfeld lassen sich eine Vielzahl von Transistoreigenschaften ablesen. Welche Größen erhält man, wenn der Quotient der Variablen in den einzelnen Quadranten gebildet wird?
Aus den Kennlinienfeldern.lassen sich folgende Kenngrößen ermitteln: 
I. Quadrant: Ausgangswiderstand bzw. Ausgangsleitwert
Il. Quadrant: Stromverstärkungsfaktor
III. Quadrant: Eingangswiderstand

Ermitteln Sie aus dem von Ihnen aufgenommenen Kennlinienfeld bzw. aus Bild 54/1 für bestimmte, vom AG-Leiter genannte Betriebsbedingungen (z. B. Uc, IB) den Eingangswiderstand, den Stromverstärkungsfaktor und den Ausgangswiderstand!

Wie verhalten sich diese Größen, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern?

Die von Ihnen errechneten Kenngrößen eines Transistors gelten nur für einen bestimmten Kennlinienpunkt, es handelt sich um statische Größen, die u. a. bei der Anwendung des Transistors als Schalter sehr wichtig sind. Liegt an der Basis zusätzlich eine Wechselspannung, so ändern sich die Betriebsbedingungen laufend. Anstelle der statischen Größen müssen deshalb dynamische Größen eingesetzt werden.

Arbeitspunkt und seine Einstellung

Für die Funktion einer Transistorstufe ist das Einstellen eines Arbeitspunktes ausschlaggebend. Man versteht darunter das Einstellen einer bestimmten Kollektorstromstärke I_C bei einer bestimmten Kollektor-Emitter-Spannung U_CE
Im Ausgangskennlinienfeld lässt sich der Arbeitspunkt durch einen Punkt AP angeben.
Bei der Wahl des Arbeitspunktes sind hauptsächlich die Betriebsspannung, die Kollektorstromstärke und der Außenwiderstand von Interesse. Zwei dieser Größen sind in gewissen Grenzen frei wählbar, die dritte Größe wird mit der Wahl der beiden anderen eindeutig festgelegt. Bei der Wahl der Betriebsspannung ist die maximale Kollektor-Emitter-Spannung U_CE ..., zu beachten, bei der Wahl des Außenwiderstandes RA muss die maximale Kollektorstromstärke I_C. berücksichtigt werden.
Eine sehr übersichtliche Darstellung der Verhältnisse ergibt sich durch das Einzeichnen der Außenwiderstandsgeraden in das Ausgangskennlinienfeld des Transistors. Man geht dabei von folgenden vereinfachten Überlegungen aus: Wenn die Kollektorstromstärke I_C Null ist, ist die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE gleich der Betriebsspannung UB. Damit erhält man nach Wahl des Basisstromes I_B den Punkt 1. 
Verbindet man nun den Punkt 1 mit dem Arbeitspunkt AP durch eine Gerade, so schneidet die Verlängerung dieser Geraden über den Punkt AP hinaus die IC-Achse im Punkt 2. Für den sich im Punkt 2 ergebenden Strom ist die Spannung U_CE gleich Null.

Einmessen eine Transistor-Kennlinienfeldes am Beispiel

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist