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Funktion des Transistors

Beitrag vom 12.05.2016

Transistoren sind eigentlich die genialste Erfindung im Bereich der Elektronik.

In einem einzigen Prozessor von INTEL arbeiten heute mehr als eine Milliarde Transistorfunktionen!

Okay, die Elektronenröhre war auch nicht schlecht... Manche HiFi-Liebhaber verwenden noch heute nur Röhren für den "ultimativen" Stereoklang. Aber die notwendige Miniaturisierung (Stichwort -> Computer / Prozessor) wäre mit Elektronenröhren nicht zu schaffen.

Haben Sie sich eigentlich schon mal gefragt, wie ein Bipolar-Transistor funktioniert?

Dabei meine ich nicht die Tatsache, dass man in der einfachen Emitterschaltung sehr leicht erkennen kann, dass er tatsächlich den "kleinen" Basis-Strom in einen "großen" Kollektorstrom verstärkt.
Dabei kommen übrigens sowohl IB als auch Ic aus derselben Strom/Spannungsquelle (Batterie 9 V). IB fließt dabei durch Basis und Emitter. Ic fließt durch Kollektor und Emitter:

Emitterschaltung

Aber Vorsicht, es gibt hier eigentlich keinen "Verbraucher" im Kollektor-Emitter-Kreis bzw. Laststromkreis. Daher sollte der Widerstand nicht kleiner als 100 kΩ gewählt werden.

Rechnerisch beträgt der Strom IB etwa 8 μA (bei einem Widerstand von 1MΩ). Bei einem angenommenen Gleichstromverstärkungsfaktor von B = 300 wird der Strom Ic etwa 2,4 mA betragen.
Bei 100 kΩ ist IB etwa 80 μA und Ic wird etwa 24 mA betragen. Mehr würde ich den kleinen Plastik-Transistoren erstmal nicht zumuten.

Siehe auch:

Interner Link Ein einfaches Transistor-Prüfgerät zur Bestimmung des Stromverstärkungsfaktors

Interner Link Dimensionierung eines Transistor-Vorverstärkers in Emitterschaltung

Übrigens: Die Verstärkungswirkung des Bipolartransistors wird gerne an Hand des sog. Wassermodells beschrieben. Bei Wikipedia gibt es nun sogar eine Animation dazu:

Externer Link https://de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor

Meine Frage war nun eigentlich, warum ein scheinbar symmetrisch aufgebautes Bauelement nicht einfach "umgedreht" werden kann und dann ebenfalls den Strom verstärken kann.

Transistor-Ersatzschaltbild

Bildquelle: www.strippwnstrolch.de

Da ich mir aber nicht sicher war, ob es vielleicht doch funktionieren würde, habe ich mir ein Multimeter mit Transistortest-Funktion genommen und es einfach mal ausprobiert.

Das Ergebnis war dann schon erstaunlich!
Auch im "Inversbetrieb" haben Bipolar-Transistoren einen Stromverstärkungsfaktor:

BC546B

Stromverstärkungsfaktor "richtig rum" -> 330
Stromverstärkungsfaktor "falsch rum" -> 5

BC548B

Stromverstärkungsfaktor "richtig rum" -> 333
Stromverstärkungsfaktor "falsch rum" -> 5

BC337

Stromverstärkungsfaktor "richtig rum" -> 380
Stromverstärkungsfaktor "falsch rum" -> 19

Allerdings stimmt der "falsche Stromverstärkungsfaktor" des Transistors BC337 nicht!


Einschub "Kippschwinger und Avalanche-Effekt":

Es kommt nämlich bei einigen Transistortypen ein weiterer Effekt (Avalanche-Effekt) in's Spiel, der z.B. dafür genutzt werden kann, um mit nur einem Transistor Schwingungen erzeugen zu können. Der Transistor ist hier natürlich  "falsch rum drin":

Kippschwinger

Grafik: Kippschwinger mit Transitor BC337

Erklärung: Der Transistor BC337-40 geht im Inversbetrieb ab ca. 7 Volt in den Durchbruch erster Ordnung und entlädt den Kondensator periodisch. Das führt zu deutlich hörbaren Schwingungen im Kleinlautsprecher.

Hinweis: Die Betriebsspannung muss mindestens 9 V betragen. Es gehen nur bestimmte Transistortypen wie bspw. BC337-40, die eine "inverse" Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung unterhalb von 9 V haben. (Diese ist im Datenblatt des BC337 übrigens so direkt nicht zu finden!)
Möglicherweise schwingt die Schaltung in dieser Dimensionierung trotzdem nicht gleich an. Dann sollte man den Widerstand als Einstellregler / Potentiometer ausführen und vorsichtig verschiedene Widerstandswerte ausprobieren. Der Widerstand darf allerdings nicht 0 Ohm werden! Das kann zur Zerstörung des Transitors führen.
Wenn auch die Veränderung des Widerstandswertes nichts hilft, so kann man es mit kleineren Kondensatoren (z.B. 47 oder 22 nF) versuchen. Es ist auch schon passiert, dass es mit einer neuen, frischen 9-V-Batterie nicht funktionierte. Zufällig haben wir es dann mit einer anderen Batterie ausprobiert und es funktionierte!

Siehe auch:

Interner Link Kippschwinger

Interner Link https://de.wikipedia.org/wiki/Lawinendurchbruch

Das Elektronik-Labor hat das Thema "Kippschwingungen" regelrecht erforscht und dokumentiert:

Interner Link http://www.elektronik-labor.de/Notizen/NPNkipp.html


Warum unterscheiden sich die Stromverstärkungen (normal und Kollektor / Emitter vertauscht) nun aber?

Sind moderne Transitoren "intern" denn nicht symmetrisch aufgebaut?


Die klare Antwort lautet: NEIN!

Transsitor-Innenleben

Bildquelle: http://schulen.eduhi.at/pts_perg/halbleiter_digitaltechnik/projekt2/p2_2c.htm

Lediglich der Ur-Transistor von Shockley, Bardeen und Brattain aus dem Jahre 1947/48 war tatsächlich symmetrisch aufgebaut:

Ur-Transistor

Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Transistor

So und nun endlich zu der Frage, wie ein Transistor denn nun wirklich intern funktioniert. Dazu habe ich eine einfache und einleuchtende Antwort hier gefunden:

Externer Link  http://www.sps-lehrgang.de/transistor/

Ich finde das so einleuchtend, dass ich es mal zitiere:

"Bei einer N-Schicht gibt es einen Überschuss an Elektronen und bei einer P-Schicht einen Überschuss an Löchern. Verbindet man die Halbleiter zu einem NPN- oder PNP-Transistor, entstehen an den Grenzregionen durch Rekombination sogenannte Sperrschichten.

NPN-Transistor unter elektrischer Spannung:

Beim NPN-Transistor verbindet man den Collector mit dem Pluspol und den Emitter mit dem Minuspol. In dem Zustand wird die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter aufgehoben, dafür vergrößert sich die Sperrschicht zwischen Basis und Collector und der Transistor sperrt den Stromfluss. Erst wenn zusätzlich die Basis an das Pluspol angeschlossen wird und die elektrische Spannung an der Basis über der Schwellspannung liegt, wird die Sperrschicht zwischen Basis und Collector aufgehoben und die Elektronen des großen Laststroms können zum Emitter fließen. Gleichzeitig fließt ein kleiner Elektronenstrom vom Emitter zur Basis."

npn und pnp-Transistor

Bildquelle: http://www.sps-lehrgang.de/transistor/

Vielleicht könnte man die Funktion des npn-Transistor auch so beschreiben:

Ohne einen Steuerstrom (Elektronen), der in die Basis fließt, gibt es eine "dicke" Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor (mittlere Abbildung npn-Transistor), da die positive Betriebsspannung am Kollektor die Elektronen aus dem Kollektor "heraus saugt".

Die Elektronen, die als Basis-Emitter-Strom / Steuerstrom (rechte Abbildung npn-Transistor) in die p-leitende Basis fließen, füllen teilweise oder ganz den Mangel an Elektronen in der Sperrschicht auf, so dass der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter sinkt und ein mehr oder weniger großer Laststrom vom Emitter zum Kollektor fließen kann.

Bei einem modernen Transistor (z.B. BC337) bedeutet dies, dass beispielsweise ein Steuerstrom von 0,1 mA einen Laststrom von ca. 40 mA auslösen kann.

Links:

Externer Link http://www.strippenstrolch.de/1-2-2-der-npn-transistor.html

Externer Link  Alles über den Bipolar-Transistor (pdf)

Externer Link Buch: Einstieg in die Elektronik mit Mikrocontrollern (pdf)

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Letzte Änderung:
October 05. 2018 10:52:47
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