Kapitel 13: Transistor, Verstärker

In diesem Kapitel:


Während eine Diode aus zwei Halbleiterschichten zusammengesetzt ist, besteht ein Transistor aus drei Schichten von dotiertem Halbleitermaterial.

Bipolarer Transistor

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Transistoren: Bipolare Transistoren und Feldeffekt-Transistoren (FET). Der bipolare Transistor ist der "gewöhnliche" Transistor, der aus drei Schichten besteht. Wir werden noch den unipolaren Transistor (Feldeffekt-Transistor) kennen lernen.

Ergänzt man die Schichtenanordnung einer Diode durch einen weiteren PN-Übergang, indem entweder eine P-Schicht oder eine N-Schicht hinzugefügt wird, lassen sich folgende Halbleiterschichtenfolgen sinnvoll kombinieren (Bild 13-1).

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-1: Halbleiterschichtenfolgen beim bipolaren Transistor

Die einzelnen Schichten besitzen Anschlusselektroden und erhalten die Namen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Zwischen den einzelnen Schichten bilden sich Sperrschichten aus (siehe Lektion Diode). Für den richtigen Betrieb des Transistors als Verstärker muss die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter durch Anlegen einer äußeren Spannung abgebaut werden (PN-Übergang in Durchlassrichtung), während die Sperrschicht zwischen Kollektor und Basis erhalten bleibt (PN-Übergang in Sperrrichtung).


Prüfungsfrage
TC608   Wie lauten die Bezeichnungen der Anschlüsse eines bipolaren Transistors?
Emitter, Basis, Kollektor
Emitter, Drain, Source
Drain, Source, Kollektor
Drain, Gate, Source

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-2: Aufbau (Schnitt) eines bipolaren Transistors älterer Bauart

Zur Erklärung der Stromverstärkung eines Transistors soll einmal obiger einfacher Aufbau eines Transistors angenommen werden (Legierungstransistor). Auf eine P-dotierte Germaniumscheibe als Grundplatte (Basis) werden auf beiden Seiten N-dotierte Kügelchen aufgebracht, die dann im Wärmeofen ineinander legieren (sich verbinden). Je länger der Legierungsprozess andauert, desto schmaler wird die Basiszone.

Denken Sie sich nun einen Ausschnitt aus der Basiszone des Legierungstransistors von Bild 13-2 als Bild 13-3.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-3: Schema eines NPN-Transistors

Funktionsweise
Legt man zwischen Basis- und Emitteranschluss eine Spannung, so dass der PN-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet ist, können die Ladungsträger (N = negative Ladungsträger, Elektronen) aus der Emitterzone (emittieren = aussenden) in die schwach dotierte Basiszone gelangen. Wegen der geringen Dotierung findet kaum eine Rekombination statt (Bild 13-3).

Liegt am Kollektoranschluss eine gegenüber der Basis positive Spannung, werden die Elektronen auf ihrem Weg durch die sehr dünne Basisschicht vom Kollektor angezogen (Kollekte = Sammlung). Je nach Dicke der Basiszone werden etwa 99 bis 99,9 % der Elektronen zum Kollektor gelangen, der Rest erreicht den Basisanschluss. Der Kollektorstrom ist also viel größer als der Basisstrom. Der Basisstrom beträgt nur etwa 1 % bis 0,1 % vom Kollektorstrom.

Erhöht man die Basis-Emitter-Spannung UBE , werden mehr Elektronen aus der Emitterzone in die Basiszone gelangen und sich sofort weiter in Richtung Kollektor bewegen. Eine Erhöhung der Basis-Emitter-Spannung hat zwar auch eine Zunahme des Basisstromes, aber eine viel größere Zunahme des Kollektorstromes zur Folge.

Merke: Mit einem kleinen Basisstrom kann man einen großen Kollektorstrom steuern. Man nennt diese Steuerwirkung Stromverstärkung des Transistors.

Prüfungsfrage
TC602   Das Verhältnis von Kollektorstrom zum Basisstrom eines Transistors liegt üblicherweise im Bereich von
1 zu 50 bis 1 zu 100.
10 zu 1 bis 900 zu 1.
1000 zu 1 bis 5000 zu 1.
1 zu 100 bis 1 zu 500.

Prüfungsfrage
TC609   Ein bipolarer Transistor ist
spannungsgesteuert.
thermisch gesteuert.
ein Gleichspannungsverstärker.
stromgesteuert.

Für den PNP-Transistor gilt prinzipiell das gleiche. Nur wird er mit umgekehrter Polung betrieben und die Betrachtung erfolgt mit Defektelektronen (Löchern) anstatt mit Elektronen.

Durch die unterschiedliche Größe von Kollektor und Emitter sind diese Anschlüsse nicht vertauschbar. Würde man den Transistor umgekehrt betreiben, würden nur wenige Ladungsträger die gegenüberliegende Schicht erreichen. Die Stromverstärkung wäre sehr klein.

Um beim bipolaren Transistor eine gute Stromverstärkung zu erreichen, müssen an die einzelnen Schichten bestimmte Spannungen angelegt werden. Mit diesen Spannungen muss erreicht werden, dass die Basis-Emitter-Strecke in Durchlassrichtung und die Spannung am Kollektor so gepolt ist, dass die Ladungsträger angezogen werden.

Um nicht immer die drei Schichten eines Transistors zeichnen zu müssen, gibt es hierfür ein Schaltsymbol (Bild 13-4). Der Emitter wird durch einen Pfeil gekennzeichnet. Beim PNP-Transistor zeigt der Pfeil auf die Basis zu (Eselsbrücke: Pfeil Nach Platte), beim NPN-Transistor von der Basis weg (Nicht Pfeil Nach…). Der Pfeil gibt die Stromrichtung durch den Transistor an (konventionelle Stromrichtung).


Prüfungsfrage
TC604   Bei diesem Bauelement handelt es sich um einen
PNP-Transistor.
NPN-Transistor.
P-Kanal-FET.
N-Kanal-FET.

Erinnern Sie sich: ; PNP - P feil N ach P latte


Prüfungsfrage
TC603   Bei diesem Bauelement handelt es sich um einen
PNP-Transistor.
NPN-Transistor.
Sperrschicht-FET.
MOSFET

N icht P feil N ach .... :-)


Aufgabe
Zeichnen Sie im Bild 13-4 in die Lücken für die Spannungsquellen Batterien mit richtiger Polung ein.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-4: Schaltsymbole des bipolaren Transistors und die richtige Polung der Betriebsspannungsquellen

Lösung : Wenn Sie die Batterien richtig eingezeichnet haben, liegen beim NPN-Transistor die Pluspole an der Basis und am Kollektor. Beim PNP-Transistor sind die Verhältnisse umgekehrt.

Prüfungsaufgabe ähnlich TC605
Bei welcher der folgenden Schaltungen sind die Spannungsquellen richtig gepolt angeschlossen?


Prüfungsfrage
TC605   Welche Kollektorspannungen haben NPN- und PNP-Transistoren?
NPN- und PNP-Transistoren benötigen negative Kollektorspannungen.
PNP-Transistoren benötigen positive, NPN-Transistoren negative Kollektorspannung.
PNP- und NPN-Transistoren benötigen positive Kollektorspannungen.
NPN-Transistoren benötigen positive, PNP-Transistoren negative Kollektorspannungen.

Die Spannung zwischen Basis und Emitter muss mindestens die Schwellspannung des PN-Übergangs überschreiten, bei Silizium also 0,6 Volt. Bei niedrigeren Spannungen fließt kein Basisstrom und damit auch kein Kollektorstrom. Diese Tatsache nutzt man für die Anwendung des Transistors als Schalter aus: Basis-Emitter-Spannung null: Transistor sperrt, Basis-Emitter-Spannung 0,6 Volt: Transistor leitet.

Ein Transistor mit den beiden PN-Übergängen lässt sich im Prinzip durch zwei Dioden ersetzen, allerdings nicht in der Praxis. Denn für die Funktionsweise ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die Basisschicht nur wenige Mikrometer dünn und sehr schwach dotiert ist. Das (theoretische) Diodenersatzbild entsteht dadurch, dass jeder PN-Übergang durch eine Diode ersetzt wird.

Um grob zu prüfen, ob ein Transistor noch heil ist, kann man sich dieses Diodenersatzschaltbild vorstellen und die beiden Diodenstrecken durchmessen. Es muss sich jeweils in einer Richtung Durchlass- und in der anderen Sperrwirkung ergeben.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-5: Diodenersatzschaltbild des Transistors


Feldeffekt-Transistor (FET)

Der Feldeffekttransistor wurde bereits 1928 von Julius E. Lilienfeld zum Patent angemeldet. Er ist also älter als der bipolare Transistor. Das Grundprinzip dieses von Lilienfeld beschriebenen Feldeffektes ist im Bild 13-6 dargestellt. Legt man an ein dotiertes Halbleiterplättchen (z.B. N-dotiert, also Elektronen in der Überzahl) eine Spannung an (U1 ), so fließt ein Ladungsträgerstrom durch diesen Kristall (hier Elektronen). Wird mit Hilfe der Spannung U2 senk-recht zur Strombahn ein elektrisches Feld angelegt, so dass die Ladungsträger abgestoßen werden (hier negative Spannung, denn gleichnamige Ladungen stoßen sich ab), so findet der Ladungstransport in einem immer kleiner werdenden Kristallquerschnitt (Kanal) statt. Der Widerstand des Halbleiterkristalls wird größer, bzw. der Strom sinkt.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-6: Grundprinzip des Feldeffektes

Mit Hilfe der Spannung U2 kann der Ladungsträgerstrom im Halbleiterkristall also gesteuert werden. Dabei fließt kein Steuerstrom, weil der Steueranschluss elektrisch gut isoliert ist. Die Steuerung geschieht also leistungslos.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-7: Aufbau und Schaltsymbole des Sperrschicht-FET a)N-Kanal, b)P-Kanal


Bei den Feldeffekt-Transistoren unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiedene Arten vom Aufbau her. Beim Sperrschicht-FET (junction-FET, J-FET) nutzt man die Sperrschicht eines PN-Übergangs zur Steuerung der Kanalbreite aus. Beim MOS-FET (metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor), normgerecht mit IG-FET (isolated gate) bezeichnet, befindet sich zwischen der Steuerelektrode und dem Kristall eine dünne, isolierende Quarzschicht.

Bei Sperrschicht-FETs und auch bei Mosfets kann man wiederum nach der Art der Dotierung des Kanals, nach N-Kanal- und P-Kanal-Typen unterscheiden. Im Bild 13-7 sind die beiden Aufbaumöglichkeiten von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sowie die zugehörigen genormten Schaltzeichen angegeben.

Im Bild 13-7a besteht der Kristall (Kanal) aus N-dotiertem Halbleitermaterial. Zwischen den beiden äußeren Anschlüssen ist eine P-Schicht eindotiert. Zwischen dieser P-Schicht und dem N-Kanal bildet sich eine Sperrschicht aus, von der der Transistor seinen Namen hat. Legt man an die P-Schicht eine negative Spannung, so verbreitert sich die Sperrschicht zwischen P und N, und der Kanal wird schmaler. Der Strom durch den Kristall sinkt.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-8 Sperrschicht-FET in Planartechnik

Heutzutage baut man den J-FET nicht wie in Bild 13-7 dargestellt in Form eines zylindrischen Kristalls sondern in Planartechnik (Bild 13-8). Das Prinzip der Steuerung ist aber das gleiche: Durch Änderung der Spannung zwischen Gate und Substrat verändert sich die Breite des dazwischen befindlichen Kanals.

Man bezeichnet die Anschlüsse eines Feldeffekttransistors mit Source (gesprochen: ßorß), Drain (gesprochen: drehn) und Gate (gesprochen: geht). Source kommt von Quelle. Die Source entspricht dem Emitter. Drain kommt von Abfluss. Der Drain entspricht dem Kollektor. Gate kommt von Tor. Das Gate entspricht der Basis eines bipolaren Transistors.


Prüfungsfrage
TC611   Wie erfolgt die Steuerung des Stroms im Feldeffekttransistor (FET)?
Die Gatespannung ist allein verantwortlich für den Drainstrom.
Die Gatespannung steuert den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.
Der Gatestrom ist allein verantwortlich für den Drainstrom.
Der Gatestrom steuert den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.

Beim Schaltsymbol des FET stellt der Pfeil die Anode des PN-Übergangs dar. (Der Pfeil entspricht dem Dreieck bei der Diode.) Bild 13-7 b stellt einen P-Kanal-Sperrschicht-FET dar. Hier sind die Polaritäten der Spannungsquellen umgekehrt wie beim N-Kanal-J-FET. Der Pfeil für den PN-Übergang ist ebenfalls umgekehrt.


Prüfungsfrage
TC612   Wie bezeichnet man die Anschlüsse des folgenden Transistors?
1 ... Drain,     2 … Source, 3 … Gate.
1 ... Source,   2 … Drain,    3 … Gate.
1 ... Anode,    2 … Katode, 3 … Gate.
1 ... Kollektor, 2 … Emitter, 3 … Basis.

Merken Sie sich bitte: Die Gate-Source-Spannung UGS muss beim J-FET immer so gepolt sein, dass der PN-Übergang in Sperrrichtung gepolt ist, damit kein Gatestrom fließt. Ausnahme: Transistor als Schalter.

N-Kanal-J-FET: Gate negativ gegenüber Source.
P-Kanal-J-FET: Gate positiv gegenüber Source.

Die Polarität der Drain-Source-Spannung UDS ist eigentlich für die Funktion des FETs nicht so wichtig. Er funktioniert auch mit umgekehrter Polarität als im Bild 13-7 angegeben. Jedoch gibt es auf Grund des technologischen Aufbaus doch Vorzugsrichtungen, damit er auch verstärkt.

N-Kanal: UGS negativ - UDS positiv
P-Kanal: UGS positiv - UDS negativ

Übungsaufgabe
Welcher der folgenden Transistoren ist ein J-FET N-Kanal Typ?

                               

Hinweis : N-Kanal bedeutet, dass der Strich des Diodensymbols für die Gatekennzeichnung der Kanal sein muss.

Der Sperrschicht-FET wird häufig als elektronischer Schalter verwendet. Hierbei wir der Transistor übersteuert und der Kanal total mit Elektronen überschwemmt. Zum Beispiel wird für ein Programm eine Sendersteuerung (PTT in Bild 13-9) benötigt, damit der Sender automatisch eingeschaltet werden kann. An der PC-Schnittstelle steht möglicherweise ein Pegel von +12/-12 Volt zur Verfügung. Für die PTT am Funkgerät benötigt man aber eine niederohmige Verbindung nach Masse. Man leitet die +12 Volt über einen Widerstand an das Gate eines FET. Dadurch wird der Kanal niederohmig und schaltet den PTT-Anschluss nach Masse durch.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-9: J-FET als Schalter

Hinweis: Der Kreis um das Schaltsymbol Transistor ist nicht erforderlich.


Verstärker

Sie haben bisher gelernt, dass man mit einem kleinen Basisstrom einen großen Kollektorstrom steuern kann. Dies nennt man Stromverstärkung. Ein bipolarer Transistor ist solch ein Bauelement. Beim Feldeffekttransistor wird durch eine Spannung am Gate der Drainstrom gesteuert. Dies kann man nicht Verstärkung nennen.

Unter Verstärkung versteht man die Tatsache, dass die Leistung am Ausgang der Schaltung größer ist als am Eingang - natürlich unter Zufuhr von Energie (Gleichstromversorgung).

In besonderen Fällen will man einfach nur die Signalspannung erhöhen. Man verwendet dazu einen Transistor (Bipolarer Transistor oder FET) und schickt den verstärkten Strom durch einen Widerstand, um über dem Widerstand eine abfallende Spannung zu erzeugen. Wenn dann die Ausgangssignalspannung größer ist als die Eingangssignalspannung, spricht man von Spannungsverstärkung. Allerdings ist es nur eine Verstärkung, wenn die höhere Spannung am gleichen Innenwiderstand der Schaltung auftritt, wenn also doch eine Leistungsverstärkung stattgefunden hat.

Mit einem Transformator könnte man auch erreichen, dass die Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung. Da die Leistung aber gleich bleibt, ist dies keine Verstärkung.


Prüfungsfrage
TD402   Was versteht man in der Elektronik unter Verstärkung? Man spricht von Verstärkung, wenn ...
das Eingangssignal gegenüber dem Ausgangssignal in der Leistung größer ist.
z.B. beim Transformator die Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung.
das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal in der Leistung größer ist.
das Eingangssignal gegenüber dem Ausgangssignal in der Spannung größer ist.

Operationsverstärker, 

Integrierte Schaltung

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-10: Typische Verstärkerschaltung mit OP

Heutzutage stellt man komplexe Schaltungen her, die auf einem einzigen Halbleiterkristall einen kompletten Verstärker oder sogar einen ganzen Empfänger enthalten. Jede dieser Schaltungen ist anders. Man benötigt ein detailliertes Datenblatt mit Beschaltungsvorschlägen. Moderne Amateurfunkgeräte werden praktisch aus einer Vielzahl solcher integrierten Schaltungen hergestellt. Leider ist dadurch eine Fehlersuche oder gar Eigenreparatur für einen Funkamateur sehr schwierig, praktisch unmöglich. Transceiver mit Einzeltransistoren wären aber um ein Vielfaches größer und teurer.

Ein besonderer Typ von integrierten Schaltungen ist für den Selbstbauer sehr interessant. Er nennt sich „Operationsverstärker“. Der Operationsverstärker (abgekürzt OP oder OPV) besteht aus einer großen Anzahl einzelner Verstärkerstufen, die nicht nur Wechselspannungen sondern auch Gleichspannungen mit einem hohen Verstärkungsfaktor verstärken. Der Verstärkungsfaktor wird durch eine Gegenkopplungsschaltung (Rk in Bild 13-10) eingestellt. Eingangswiderstand und Verstärkungsfaktor eines OP sind sehr hoch.


Prüfungsfrage
TD403   Was ist ein Operationsverstärker? Operationsverstärker sind ...
Gleichstrom gekoppelte Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor und großer Linearität.
Wechselstrom gekoppelte Verstärker mit niedrigem Eingangswiderstand und großer Linearität.
in Empfängerstufen eingebaute Analogverstärker mit sehr niedrigem Verstärkungsfaktor aber großer Linearität.
digitale Schaltkreise mit hohem Verstärkungsfaktor.

Prüfungsfrage
TD404   Ein IC (integrated circuit) ist...
eine aus vielen einzelnen Bauteilen aufgebaute Schaltung auf einer Platine.
eine miniaturisierte, aus SMD-Bauteilen aufgebaute Schaltung.
eine Zusammenschaltung verschiedener Baugruppen zu einer Funktionseinheit.
eine komplexe Schaltung auf einem Halbleiterkristallplättchen.

Die Röhre

Für Hochfrequenzleistungsverstärker (Senderendstufen im Amateurfunk) werden beim Selbstbau für große Leistungen noch immer Röhren verwendet. Sie arbeiten mit hohen Spannungen und können mit geringen Strömen bereits hohe Leistungen erzeugen.

Elektronenröhren bestehen zumeist aus einem luftleer gepumpten Glaskolben mit einem eingeschweißten gläsernen Fuß. Durch den als Fuß (Sockel) dienenden gepressten Glasteller führen Steckerstifte. Sie tragen im Innern der Röhre das Elektrodensystem. Der Röhrensockel passt in eine auf das Chassis montierte Röhrenfassung.

Die Röhrendiode enthält außer der Katode als zweite Elektrode noch die Anode. Die Anode dient zum Auffangen der Elektronen. Verbindet man die Anode mit dem Pluspol und die Katode mit dem Minuspol einer Gleichspannung, werden die von der Katode emittierten freien Elektronen durch den luftleeren Raum in der Röhre zur positiven Anode gesaugt. Es fließt ein Elektronenstrom von der Katode zur Anode. Man beachte hier, dass Elektronenstromrichtung und konventionelle (technische) Stromrichtung entgegengesetzt sind!

Polt man die Spannung zwischen Anode und Katode um, werden die Elektronen von der negativen Anode abgestoßen. Es fließt kein Strom. Die Röhrendiode lässt also genau wie die Halbleiterdiode den Strom nur in einer Richtung fließen.

Die Triode (tri = drei) hat drei Elektroden. Zwischen Katode und Anode befindet sich ein Steuergitter. Dieses Gitter besteht aus einem Draht, der wendelförmig auf zwei Haltestege weitmaschig um die Katode gewickelt ist. Mit solch einer Triode wurde folgendes Experiment gemacht.

(Bild wird ersetzt)

Bild 13-11: Aufbau und Schaltzeichen der Triode

Experiment

Zeichnung: Eckart Moltrecht

An eine Triode EC92 schließe ich die notwendige Heizspannung von 6,3 V an. Der Heizfaden beginnt rot zu glühen. Über einen Strommesser schließe ich eine Anodenspannung von etwa 100 V bis 200 V an.

Ich lege eine veränderbare Gleichspannung von 0 bis 6 V mit dem Minuspol an das Gitter und mit dem Pluspol an die Katode. Ich verändere diese Spannung und beobachte den Ausschlag des Strommessers.

Wirkung: Der Anodenstrom wird umso schwächer, je negativer das Steuergitter gegenüber der Katode wird. Also: Bei der Triode steuert die Gitterspannung den Anodenstrom. Erklärung: Die negativen Elektronen werden von der positiven Anode angezogen. Auf ihrem Weg von der Katode zur Anode müssen sie durch die Gitterwendel fliegen. Wenn diese Gitterdrähte negativ geladen sind, werden die negativen Elektronen abgestoßen und kommen schlechter durch dieses elektrische Feld.


Prüfungsfrage
TD405   Worauf beruht die Verstärkerwirkung von Elektronenröhren?
Die Anodenspannung steuert das magnetische Feld an der Anode und damit den Anodenstrom.
Das von der Gitterspannung hervorgerufene elektrische Feld steuert den Anodenstrom.
Die Heizspannung steuert das elektrische Feld an der Kathode und damit den Anodenstrom.
Die Katodenvorspannung steuert das magnetische Feld an der Katode und damit den Gitterstrom.


Viel Erfolg beim Lehrgang wünscht Ihnen Eckart Moltrecht DJ4UF!


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Copyright-Hinweis:
Eckart K. W. Moltrecht Dieser DARC-Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors Eckart K. W. Moltrecht aus seinen Büchern "Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis" aus dem VTH-Verlag für das Internet umgewandelt. Das Copyright liegt beim Autor und beim Verlag. Mehr über den Autor!
Copyright Eckart K. W. Moltrecht Die Darstellung auch nur von Auszügen oder Zeichnungen oder Fotos im Internet ist untersagt. Für die private Verwendung können Sie gern eine Genehmigung beim Autor erhalten. Schreiben Sie eine E-Mail an eckart.moltrecht(at)gmail.com!

Letzte Bearbeitung: 06.11.2016 DK2DQ, 23.05.2017 DJ4UF
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