Wie Funktioniert ein Transistor?
Wie funktioniert ein Transistor?
Transistor-Definition
Ein Transistor ist definiert als ein Halbleiterbauteil, das zur Verstärkung oder Schaltung von elektronischen Signalen verwendet wird.
Es gibt verschiedene Arten von Transistoren, aber wir werden uns auf den NPN-Transistor im Gemeinschaftsemitter-Betriebsmodus konzentrieren. Diese Art hat eine stark dotierte und breite Emitterregion, die viele freie Elektronen (Mehrheitsladungsträger) enthält.
Die Kollektorregion ist breit und mittelstark dotiert, so dass sie weniger freie Elektronen als der Emitter hat. Die Baseregion ist sehr dünn und leicht dotiert, mit einer geringen Anzahl an Löchern (Mehrheitsladungsträger). Jetzt verbinden wir eine Batterie zwischen Emitter und Kollektor. Der Emitteranschluss des Transistors ist mit dem negativen Pol der Batterie verbunden. Daher wird die Emitter-Basis-Schicht vorspannungsbegünstigt, und die Basis-Kollektor-Schicht wird rückwärts polarisiert. In diesem Zustand fließt kein Strom durch das Bauteil. Bevor wir zu der tatsächlichen Funktion des Bauteils kommen, lassen Sie uns die Bauweise und Dotierungsdetails eines NPN-Transistors wiederholen. Hier ist die Emitterregion breiter und sehr stark dotiert. Daher ist die Konzentration der Mehrheitsladungsträger (freie Elektronen) in dieser Region des Transistors sehr hoch.
Die Baseregion hingegen ist sehr dünn, im Bereich von wenigen Mikrometern, während die Emitter- und Kollektorregionen im Millimeterbereich liegen. Die Dotierung der mittleren p-dotierten Schicht ist sehr gering, und daher sind in dieser Region nur sehr wenige Löcher vorhanden. Die Kollektorregion ist wie bereits erwähnt breiter, und die Dotierung hier ist mittelstark, so dass eine mittlere Anzahl von freien Elektronen in dieser Region vorhanden ist.
Die Spannung, die zwischen Emitter und Kollektor angewendet wird, fällt an zwei Stellen ab. Erstens hat die Emitter-Basis-Schicht bei Siliziumtransistoren eine Vorwärtsbarriere von etwa 0,7 Volt. Der Rest der Spannung fällt als Rückwärtsbarriere über die Basis-Kollektor-Schicht.
Egal, welche Spannung über dem Bauteil liegt, die Vorwärtsbarriere über der Emitter-Basis-Schicht bleibt immer 0,7 Volt, und der Rest der Quellenspannung fällt als Rückwärtsbarriere über die Basis-Kollektor-Schicht.
Das bedeutet, dass die Kollektorspannung die Vorwärtsbarriere nicht überwinden kann. Daher können die freien Elektronen im Emitter nicht in die Basis wechseln. Als Ergebnis verhält sich der Transistor wie ein ausgeschalteter Schalter.
NB: – Da der Transistor in diesem Zustand idealerweise keinen Strom leitet, fällt keine Spannung an der externen Widerstandsschaltung ab, sodass die gesamte Quellenspannung (V) über die Schichten fällt, wie in der obigen Abbildung gezeigt.
Nun sehen wir uns an, was passiert, wenn wir eine positive Spannung am Basisanschluss des Bauteils anlegen. In dieser Situation erhält die Basis-Emitter-Schicht eine individuelle Vorwärtsspannung, und sicherlich kann sie die Vorwärtsbarriere überwinden, wodurch die Mehrheitsladungsträger, also die freien Elektronen in der Emitterregion, die Schicht überqueren und in die Baseregion gelangen, wo sie sehr wenige Löcher zum Rekombinieren finden.
Dank des elektrischen Feldes über der Schicht erhalten die freien Elektronen, die aus der Emitterregion migrieren, kinetische Energie. Die Baseregion ist so dünn, dass die freien Elektronen, die aus dem Emitter kommen, nicht genug Zeit haben, um zu rekombinieren, und daher die rückwärts polarisierte Deplationsschicht überqueren und letztendlich in die Kollektorzone gelangen. Da eine Rückwärtsbarriere über der Basis-Kollektor-Schicht vorhanden ist, behindert sie nicht den Fluss der freien Elektronen vom Basis- zum Kollektoranschluss, da die freien Elektronen in der Baseregion Minderheitsladungsträger sind.
Auf diese Weise fließen Elektronen vom Emitter zum Kollektor, und somit beginnt der Kollektor-Emitter-Strom zu fließen. Da in der Baseregion einige Löcher vorhanden sind, rekombinieren einige der Elektronen, die aus der Emitterregion kommen, mit diesen Löchern und tragen zum Basisstrom bei. Dieser Basisstrom ist erheblich kleiner als der Kollektor-Emitter-Strom.
Einige Elektronen aus dem Emitter tragen zum Basisstrom bei, während die meisten durch den Kollektor gehen. Der Emitterstrom ist die Summe des Basis- und Kollektorstroms. Also ist der Emitterstrom die Summe des Basis- und Kollektorstroms.
Nun erhöhen wir die angelegte Basisspannung. In dieser Situation führt die erhöhte Vorwärtsspannung über der Emitter-Basis-Schicht dazu, dass proportionell mehr freie Elektronen aus der Emitterregion in die Baseregion mit mehr kinetischer Energie kommen. Dies führt zu einem proportionalen Anstieg des Kollektorstroms. Auf diese Weise können wir durch die Steuerung eines kleinen Basissignals ein ziemlich großes Kollektorsignal steuern. Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip eines Transistors.
