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Die technische Erfindung von Transistoren revolutionierte die Menschheit so sehr wie keine andere. Im Herzen eines Smartphones liegt der Prozessor, und dieser Prozessor umfasst rund zwei Milliarden Transistoren. Doch was machen diese unglaublich kleinen Geräte überhaupt, und wie funktionieren sie?
Transistoren agieren wie ein Schalter ohne bewegliche Teile, und sie können schwache Signale verstärken. Für eine solche Verstärkung wird ein Transistor hauptsächlich verwendet. Sehen wir uns zunächst die Hauptbestandteile eines Transistors an, bevor wir zum Anwendungsteil kommen.
Transistoren bestehen aus Halbleitern wie Silizium, und jedes einzelne Siliziumatom ist mit vier angrenzenden Siliziumatomen verbunden. Zudem hat Silizium vier Elektronen in seiner Valenz. Ersetzen wir dieses Siliziumatom nun durch einen Smiley mit vier Händen; jede Hand hält ein Elektron, und jedes dieser Elektronen hängt an einem benachbarten Siliziumatom. Das nennt man eine Atombindung. Momentan befinden sich die Elektronen in ihrem Valenzband, doch wenn das reine Silizium Elektrizität leiten muss, absorbieren die Elektronen einen Teil der Energie und werden damit zu freien Elektronen. Dadurch erlangt das reine Silizium eine geringe elektrische Leitfähigkeit.
Mit Hilfe einer Technik namens Dotierung kann die Leitfähigkeit solcher Halbleiter verbessert werden. Wenn wir als Beispiel nun Phosphor mit fünf Valenzelektronen injizieren, bleibt ein Elektron übrig, das sich frei bewegen kann. Diesen Vorgang nennt man n-Dotierung. Wenn man jetzt aber das chemische Element Bor mit nur drei Valenzelektronen injiziert, entsteht ein freier Platz für ein Elektron. Diese freie Stelle wird als Loch bezeichnet, das jetzt jederzeit von einem Nachbarelektron gefüllt werden kann. Diese Elektronenbewegung wird durch die Bewegung der Löcher in die entgegengesetzte Richtung deutlich, und das bezeichnet man als Peduzzi.
Rotiere man einen Siliziumwafer, wie hier gezeigt, entsteht ein Transistor. Aber um die tatsächliche Funktionsweise eines Transistors zu verstehen, müssen wir uns zunächst ansehen, was auf der Elektroneneebene einer noch grundlegenderen Komponente, der Diode, passiert. Eine Diode wird gebildet, wenn man einen Teil Silizium als p-Typ und den anderen Teil als n-Typ dotiert. Dann passiert etwas sehr Interessantes an der Grenze von p und n. Die reichlich vorhandenen Elektronen auf der einen Seite werden auf natürliche Weise dazu angetrieben, zu den Löchern auf der b-Seite zu wandern. Dadurch lässt sich die Grenze der b-Seite leicht negativ auf, während sich die n-Seite leicht positiv auflädt. Das daraus resultierende elektrische Feld wirkt dann jeder natürlichen Wanderung der Elektronen entgegen.
Wenn man, wie hier im Beispiel, eine externe Stromquelle an die Diode anschließt, werden die Elektronen und Löcher von der Stromquelle angezogen, und es ist kein Stromfluss möglich. Aber wenn man die Stromverbindung umkehrt, sieht die Sache gleich ganz anders aus. Wenn die Stromquelle genug Spannung hat, um die Potenzialbarriere zu überwinden, sieht man sofort, dass die Elektronen vom negativen Pol weggeschoben werden. Sobald die Elektronen die Potenzialbarriere überschreiten, wird ihnen Energie.
Transistoren agieren wie ein Schalter ohne bewegliche Teile, und sie können schwache Signale verstärken. Für eine solche Verstärkung wird ein Transistor hauptsächlich verwendet. Sehen wir uns zunächst die Hauptbestandteile eines Transistors an, bevor wir zum Anwendungsteil kommen.
Transistoren bestehen aus Halbleitern wie Silizium, und jedes einzelne Siliziumatom ist mit vier angrenzenden Siliziumatomen verbunden. Zudem hat Silizium vier Elektronen in seiner Valenz. Ersetzen wir dieses Siliziumatom nun durch einen Smiley mit vier Händen; jede Hand hält ein Elektron, und jedes dieser Elektronen hängt an einem benachbarten Siliziumatom. Das nennt man eine Atombindung. Momentan befinden sich die Elektronen in ihrem Valenzband, doch wenn das reine Silizium Elektrizität leiten muss, absorbieren die Elektronen einen Teil der Energie und werden damit zu freien Elektronen. Dadurch erlangt das reine Silizium eine geringe elektrische Leitfähigkeit.
Mit Hilfe einer Technik namens Dotierung kann die Leitfähigkeit solcher Halbleiter verbessert werden. Wenn wir als Beispiel nun Phosphor mit fünf Valenzelektronen injizieren, bleibt ein Elektron übrig, das sich frei bewegen kann. Diesen Vorgang nennt man n-Dotierung. Wenn man jetzt aber das chemische Element Bor mit nur drei Valenzelektronen injiziert, entsteht ein freier Platz für ein Elektron. Diese freie Stelle wird als Loch bezeichnet, das jetzt jederzeit von einem Nachbarelektron gefüllt werden kann. Diese Elektronenbewegung wird durch die Bewegung der Löcher in die entgegengesetzte Richtung deutlich, und das bezeichnet man als Peduzzi.
Rotiere man einen Siliziumwafer, wie hier gezeigt, entsteht ein Transistor. Aber um die tatsächliche Funktionsweise eines Transistors zu verstehen, müssen wir uns zunächst ansehen, was auf der Elektroneneebene einer noch grundlegenderen Komponente, der Diode, passiert. Eine Diode wird gebildet, wenn man einen Teil Silizium als p-Typ und den anderen Teil als n-Typ dotiert. Dann passiert etwas sehr Interessantes an der Grenze von p und n. Die reichlich vorhandenen Elektronen auf der einen Seite werden auf natürliche Weise dazu angetrieben, zu den Löchern auf der b-Seite zu wandern. Dadurch lässt sich die Grenze der b-Seite leicht negativ auf, während sich die n-Seite leicht positiv auflädt. Das daraus resultierende elektrische Feld wirkt dann jeder natürlichen Wanderung der Elektronen entgegen.
Wenn man, wie hier im Beispiel, eine externe Stromquelle an die Diode anschließt, werden die Elektronen und Löcher von der Stromquelle angezogen, und es ist kein Stromfluss möglich. Aber wenn man die Stromverbindung umkehrt, sieht die Sache gleich ganz anders aus. Wenn die Stromquelle genug Spannung hat, um die Potenzialbarriere zu überwinden, sieht man sofort, dass die Elektronen vom negativen Pol weggeschoben werden. Sobald die Elektronen die Potenzialbarriere überschreiten, wird ihnen Energie.
Entzogen, so dass sie ganz einfach die Löcher in der Region besetzen können, und aufgrund der Anziehung des positiven Anschlusses können diese Elektronen nun auch zu den Löchern in der Nähe des p-Bereich springen und durch den externen Stromkreis fließen. Das ist die Vorwärts-Spannung einer Diode. Wenn man dieses einfache Prinzip einer Diode im Hinterkopf behält, ist die Funktionsweise eines Transistors ganz einfach zu verstehen.
Kehren wir nun zum Transistor zurück. Die p-Schicht in diesem Modell ist sehr schmal und leicht dotiert. Hier kann man erkennen, dass der Transistor im Grunde aus zwei Dioden besteht, die Rücken an Rücken angeordnet sind. Also egal, wo man die Stromquelle anschließt, eine Diode ist immer in die Sperrrichtung vorgespannt und wird den Stromfluss blockieren. Das bedeutet, dass sich der Transistor im Aus-Zustand befindet.
Schließen wir nun eine zweite Stromquelle an. Jetzt sollte die Stromzufuhr genügend Spannung haben, um die Potenzialbarriere überwinden zu können. Dieser Bereich bildet eine einzige, in die Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode, so dass eine hohe Anzahl von Elektronen aus der Region verdrängt wird. Genau wie in einer Diode werden sich jetzt einige Elektronen in die Löcher setzen, über die benachbarten Löcher springen und zur Basis fließen. Aber wenn jetzt viel mehr Elektronen auf der b-Seite liegen, was machen dann die übrigen Elektronen? Das sehen wir uns jetzt an.
Die verbleibenden Elektronen werden vom positiven Anschluss der ersten Stromquelle angezogen und fließen, wie gezeigt, geradeaus. Da die p-Region, wie erwähnt, sehr schmal ist, können keine verbleibenden Elektronen zum positiven Anschluss der zweiten Energiequelle fließen. Kurz gesagt, ein kleiner Basisstrom wird zu einem hohen Kollektorstrom verstärkt.
Die Bezeichnung des Transistoranschlusses kann man dabei ganz leicht anhand der Art des Elektronenflusses ausmachen. Wenn man den Basisstrom erhöhen kann, erhöht sich proportional dazu auch der Kollektorstrom. Das ist ein klarer Fall einer Stromverstärkung. Der Transistor, den wir uns bisher angesehen haben, ist ein bipolarer Transistor. Ersetzen wir diesen Transistor nun durch einen realistischen, kann die Verstärkung noch weiter verbessert werden, indem man einen weiteren Transistor hinzufügt. Die Basis dieses Transistors ist mit dem Mieter des ersten Transistors verbunden.
Wenn man am Eingang ein schwaches, schwankendes Signal einleitet, wie es z. B. bei einem Mikrofon der Fall ist, erhält man ein verstärktes Signal am Lautsprecher. Zudem kann man bei dieser Basisschaltung sehen, dass der Transistor, je nach angelegtem Spannungswert, an oder aus ist. Hier fungiert der Transistor als Schalter. Diese Eigenschaft eines Transistors bietet der Welt der digitalen Elektronik und digitalen Speicher unendlich viele Möglichkeiten.
Kehren wir nun zum Transistor zurück. Die p-Schicht in diesem Modell ist sehr schmal und leicht dotiert. Hier kann man erkennen, dass der Transistor im Grunde aus zwei Dioden besteht, die Rücken an Rücken angeordnet sind. Also egal, wo man die Stromquelle anschließt, eine Diode ist immer in die Sperrrichtung vorgespannt und wird den Stromfluss blockieren. Das bedeutet, dass sich der Transistor im Aus-Zustand befindet.
Schließen wir nun eine zweite Stromquelle an. Jetzt sollte die Stromzufuhr genügend Spannung haben, um die Potenzialbarriere überwinden zu können. Dieser Bereich bildet eine einzige, in die Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode, so dass eine hohe Anzahl von Elektronen aus der Region verdrängt wird. Genau wie in einer Diode werden sich jetzt einige Elektronen in die Löcher setzen, über die benachbarten Löcher springen und zur Basis fließen. Aber wenn jetzt viel mehr Elektronen auf der b-Seite liegen, was machen dann die übrigen Elektronen? Das sehen wir uns jetzt an.
Die verbleibenden Elektronen werden vom positiven Anschluss der ersten Stromquelle angezogen und fließen, wie gezeigt, geradeaus. Da die p-Region, wie erwähnt, sehr schmal ist, können keine verbleibenden Elektronen zum positiven Anschluss der zweiten Energiequelle fließen. Kurz gesagt, ein kleiner Basisstrom wird zu einem hohen Kollektorstrom verstärkt.
Die Bezeichnung des Transistoranschlusses kann man dabei ganz leicht anhand der Art des Elektronenflusses ausmachen. Wenn man den Basisstrom erhöhen kann, erhöht sich proportional dazu auch der Kollektorstrom. Das ist ein klarer Fall einer Stromverstärkung. Der Transistor, den wir uns bisher angesehen haben, ist ein bipolarer Transistor. Ersetzen wir diesen Transistor nun durch einen realistischen, kann die Verstärkung noch weiter verbessert werden, indem man einen weiteren Transistor hinzufügt. Die Basis dieses Transistors ist mit dem Mieter des ersten Transistors verbunden.
Wenn man am Eingang ein schwaches, schwankendes Signal einleitet, wie es z. B. bei einem Mikrofon der Fall ist, erhält man ein verstärktes Signal am Lautsprecher. Zudem kann man bei dieser Basisschaltung sehen, dass der Transistor, je nach angelegtem Spannungswert, an oder aus ist. Hier fungiert der Transistor als Schalter. Diese Eigenschaft eines Transistors bietet der Welt der digitalen Elektronik und digitalen Speicher unendlich viele Möglichkeiten.