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Bipolartransistoren

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Die Autor*innen
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Wolfgang Tews
Bipolartransistoren
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Bipolartransistoren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bipolartransistoren kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Vorgänge an einer Diode abhängig von der Polung der angeschlossenen Spannungsquelle.

    Tipps

    Im n-Bereich herrscht durch die entsprechende Dotierung ein Überschuss an Elektronen (negativer Ladung).

    Im p-Bereich herrscht durch die entsprechende Dotierung ein Überschuss an Löchern (positiver Ladung).

    Lösung

    Eine Diode besteht aus einem n- und einem p-Bereich. Im n- Bereich überwiegen durch Dotierung negative Ladungsträger (Elektronen), im p-Bereich hingegen positive Ladungsträger (Löcher). Beim Kontakt von n- und p-Bereich bildet sich durch Rekombination der Ladungsträger in der Diode eine Sperrschicht aus.

    Legt man eine Gleichspannungsquelle an die Diode an, so zeigt diese je nach Polung zwei verschiedene Verhaltensweisen: Ist der Pluspol mit der p-Schicht verbunden und der Minuspol mit der n-Schicht, so leitet die Diode den Strom. Man sagt, sie ist in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen der n-Schicht bewegen sich Richtung Pluspol, die Löcher der p-Schicht wandern in Richtung des negativen Pols. Dadurch entsteht eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, es fließt ein Strom.

    Bei umgekehrter Polung hingegen vergrößert sich die Sperrschicht in der Diode, sie ist in Sperrrichtung geschaltet. Die Elektronen bewegen sich erneut in Richtung Pluspol, die Löcher wandern in Richtung Minuspol.

    Dioden finden beispielsweise als Leuchtdioden (siehe oben) Anwendung oder sie dienen der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.

  • Beschreibe den Aufbau und die Vorgänge am npn-Transistor.

    Tipps

    Beachte die Abbildung. Welche Polungen erkennst du und in welche Richtungen fließen demnach die Ströme?

    Zur Steuerung eines großen Stroms wird ein kleiner Strom benötigt.

    Lösung

    Der npn-Transistor besteht aus zwei n-Bereichen, die durch einen dünnen p-Bereich voneinander getrennt sind. Der p-Bereich ist die so genannte Basis des Transistors.

    Verbindet man die Basis mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle und den Emitter mit dem negativen Pol, so fließen die überschüssigen Elektronen des Emitterbereiches zur Basis in Richtung des positiven Pols. Diesen Stromfluss bezeichnet man als Basisstrom.

    Da der p-Bereich sehr dünn ist und wenig Löcher besitzt, fließen die Elektronen aus dem Emitterbereich außerdem auch zum Kollektor, an den eine zusätzliche Spannungsquelle mit dem positiven Pol angeschlossen ist. Dadurch fließt zusätzlich zum Basisstrom auch ein Emitterstrom.

    Der Emmiterstrom lässt sich über den Basistrom steuern. Ein kleiner Basisstrom steuert dabei einen großen Emitterstrom.

  • Analysiere den Versuchsaufbau zur Messung des Kollektorstroms an einem npn-Transistor in Abhängigkeit von der Basisspannung.

    Tipps

    Ordne zunächst Basis, Kollektor und Emitter zu.

    Ergänze dann sinngemäß die Spannungs- und Stromstärkeangaben.

    Welche Polungen werden zum Fließen des Basis- und des Kollektorstroms benötigt?

    Lösung

    Die Abbildung zeigt den vollständig beschrifteten Schaltplan.

    Im Versuch kann nun die Basisspannung $U_{BE}$ variiert werden und in Abhängigkeit von dieser Spannung die Kollektorstromstärke $I_{CE}$ gemessen werden. Mit Hilfe dieser beiden Größen kann anschließend die Kennlinie des Transistors in ein Diagramm gezeichnet werden.

  • Werte die gezeigte Kennlinie eines npn-Transistors aus.

    Tipps

    Transistoren können als Verstärker oder als Schalter eingesetzt werden.

    Lösung

    Im Bereich von 0 Volt bis 0,2 Volt (Sperrbereich) zeigt sich bei der Kennlinie des untersuchten Transistors ein waagerechter Abschnitt auf der x-Achse. Am Transistor liegen geringe Basisspannungen an, aber es tritt kein Kollektorstrom auf. Der Transistor sperrt den Stromfluss in diesem Bereich.

    Im Bereich von 0,2 Volt bis 1,0 Volt (Verstärkerbereich) zeigt die Kennlinie des untersuchten Transistors eine Gerade. Am Transistor liegen mittlere Basisspannungen an und es tritt ein Kollektorstrom auf, der mit zunehmender Basisspannung wächst. Der Transistor zeigt in diesem Bereich seine Verstärkereigenschaften.

    Ab einem Wert von 1,0 Volt (Leitungsbereich) zeigt die Kennlinie des untersuchten Transistors eine Parallele zur x-Achse. Am Transistor liegen hohe Basisspannungen an und es tritt ein Kollektorstrom auf, der einen festen Wert, den Maximalwert 40,0 mA, besitzt. Der Transistor zeigt in diesem Bereich seine Leitungseigenschaften. In Kombination mit dem Sperrbereich kann der Transistor somit als Schalter (an/aus) verwendet werden.

    Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau verschiedener Transistoren. Kaum ein elektronisches Gerät, in dem nicht Transistoren als Schalter oder Verstärker eingebaut sind.

  • Ordne die Bauelemente den Dioden oder den Transistoren zu.

    Tipps

    Aus wie vielen unterschiedlich dotierten Bereichen (p/n) besteht eine Diode?

    Aus wie vielen unterschiedlich dotierten Bereichen (p/n) besteht ein Transistor?

    An wie viele Spannungsquellen wird eine Diode angeschlossen?

    An wie viele Spannungsquellen wird ein Transistor angeschlossen?

    Lösung

    Dioden bestehen aus einem p-Bereich und einem n-Bereich. Das Schaltzeichen der Diode verfügt über zwei Anschlüsse, so dass zum Beispiel eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden kann. Die Pfeilrichtung des Schaltzeichens gibt die Durchlassrichtung der Diode an.

    Transistoren bestehen aus insgesamt drei Bereichen: einem p-Bereich und zwei n-Bereichen (npn-Transistor) oder umgekehrt (pnp-Transistor). In der Schaltung sind sie daran zu erkennen, dass sie drei Anschlüsse besitzen, also insgesamt zwei Spannungsquellen angeschlossen werden können. Im Schaltbild sind im Allgemeinen Basis, Emitter und Kollektor wie in der nebenstehenden Abbildung nicht beschriftet und der Transistortyp kann nur durch den kleinen Pfeil identifiziert werden. Bei dem gezeigten Transistor handelt es sich um einen npn-Transistor.

  • Leite dir ab, welche Ladungen in welche Richtungen beim pnp-Transistor fließen.

    Tipps

    Die Polungen der Spannungsquellen sind beim pnp-Transistor gegenüber dem npn-Transistor vertauscht.

    Welche Ladungsträger sind im Überschuss im Emitter vorhanden?

    Lösung

    Bei einem pnp-Transistor bewegen sich keine Elektronen aus dem n-Bereich des Emitters, sondern Löcher aus dem p-Bereich des Emitters.

    Demnach muss die Polung der beiden Spannungsquellen genau umgekehrt sein zur Polung am npn-Transistor. Die positiv geladenen Löcher bewegen sich dabei einmal vom Emitter in Richtung negativ gepolter Basis und erzeugen so den Basisstrom. Zum anderen überqueren sie ebenfalls die dünne Grenzschicht und bewegen sich als Kollektorstrom in Richtung des negativ geladenen Kollektors.

    Das Schaltzeichen für den pnp-Transistor ist in der nebenstehenden Abbildung gezeigt. Der kleine Pfeil gibt die technische Stromrichtung (also die Richtung der Bewegung der Löcher) an.

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