Transistor

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Einleitung

Transistor, Name für eine Gruppe von elektronischen Bauteilen, die als Verstärker oder Oszillator in der Kommunikationstechnik, Steuerung und in Computersystemen (siehe Elektronik) eingesetzt werden können. Bis zum Jahr 1948 waren Entwicklungen im Elektronikbereich abhängig vom Einsatz thermionischer Vakuumröhren, magnetischen Verstärkern, Spezialrotationsmaschinen sowie besonderen Kondensatoren, die als Verstärker dienten.

Beim Transistor handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, das viele Funktionen der Vakuumröhre in elektrischen Schaltkreisen übernehmen kann. Im Prinzip ist ein Transistor aus einem kleinen Kristall eines Halbleiters (meistens Germanium oder Silicium bzw. Galliumarsenid) aufgebaut, an dem mindestens drei elektrische Anschlüsse angebracht sind. Die Grundkomponenten des Transistors, Basis, Emitter und Kollektor, sind mit denen der Triode (Dreielektrodenröhre) vergleichbar. Die Basis ist die Steuerelektrode des Transistors und entspricht dem Steuergitter der Triode. Der Emitter entspricht der erhitzbaren Kathode einer Triode und dient ebenfalls als Elektronenquelle. Der Kollektor ist die Anode.

Der Transistor wurde bei Bell Laboratories von den amerikanischen Physikern Walter Houser Brattain, John Bardeen und William Bradford Shockley entwickelt. Für die Entdeckung des Transistoreffekts und Untersuchungen an Halbleitern erhielten die drei 1956 den Nobelpreis für Physik. Shockley war der Initiator und Direktor des Forschungsprogramms über Halbleitermaterialien, das dann letztendlich zur Entdeckung dieser Gruppe von Bauteilen führte. Seine Mitarbeiter Brattain und Bardeen erfanden einen wichtigen Typ des Transistors.

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Aufbau der Halbleiter

Der innere Aufbau eines Halbleiters verleiht ihm seine elektrischen Eigenschaften. In einem Germanium- oder Siliciumkristall sind die Atome in einer periodischen Anordnung gebunden, die ein vollständig regelmäßiges Diamantgitter bilden. Jedes Atom des Kristalls hat vier Valenzelektronen, von denen jedes mit dem Elektron eines Nachbaratoms eine Bindung eingeht. Weil die Elektronen nicht frei beweglich sind, verhält sich das reine kristalline Material bei niedrigen Temperaturen wie ein Isolator.

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Funktion von Verunreinigungen (Dotierung)

Germanium- oder Siliciumkristalle, die kleine Mengen von Verunreinigungen enthalten, können auch bei niedrigen Temperaturen elektrischen Strom leiten. Die technisch gezielte Verunreinigung von Halbleiterkristallen nennt man Dotierung. Die elektrische Leitfähigkeit des dotierten Halbleiters kann auf zwei Arten erfolgen: Ein Verunreinigungselement wie z. B. Phosphor, Antimon oder Arsen wird als Donator-Verunreinigung bezeichnet, weil es überschüssige Elektronen bereitstellt. Diese Gruppe von Elementen besitzt fünf Valenzelektronen, von denen nur vier eine Bindung mit den Germanium- oder Siliciumatomen bilden. Wenn also ein elektrisches Feld angelegt wird, sind die übrigen Elektronen der Donator-Verunreinigungen im Prinzip in der Lage, sich frei durch das kristalline Material zu bewegen. Die resultierenden Halbleiter nennt man auch n-Leiter (n = negativ).

Im Gegensatz dazu haben Verunreinigungselemente wie beispielsweise Gallium oder Indium nur drei Valenzelektronen, so dass ihnen eines fehlt, um die zwischenatomare Verbindungsstruktur innerhalb des Kristalls zu vervollständigen. Diese Verunreinigungen werden als Akzeptor-Verunreinigungen bezeichnet, weil diese Elemente Elektronen von den Nachbaratomen akzeptieren, um ihren Mangel in der Valenzbindungstruktur auszugleichen. Die entstehenden Elektronenlücken, die so genannten Löcher, in der Struktur der Nachbaratome werden im Gegenzug durch andere Elektronen aufgefüllt usw. Diese Löcher oder Störstellen verhalten sich wie positive Ladungen, sie scheinen sich bei angelegter Spannung entgegengesetzt zu den Elektronen zu bewegen. In diesem Falle bezeichnet man die resultierenden Halbleiter auch als p-Leiter (p = positiv).

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n-Halbleiter und p-Halbleiter

Ein einzelner Kristall, der sowohl n- als auch p-Bereiche enthält, kann durch das Einführen von sowohl Donator- als auch Akzeptor-Verunreinigungen in geschmolzenes Germanium oder Silicium in einem Schmelztiegel bei unterschiedlichen Stadien der Kristallbildung erzeugt werden. Der entstandene Kristall hat zwei unterschiedliche n- und p-Bereiche. Die Verbindungsschicht zwischen den beiden Bereichen wird als n-p-Trennschicht bezeichnet. Diese Trennschicht kann auch durch das Anbringen eines Donator-Materials an der Oberfläche eines p-Kristalls oder das Anbringen eines Akzeptors an einem n-Kristall und einer anschließenden Erhitzung zur Verteilung der Verunreinigungsatome in der Außenschicht erzeugt werden.

Wenn eine externe Spannung angelegt wird, verhält sich die n-p-Trennschicht wie ein Gleichrichter, der Stromfluss nur in einer Richtung durchlässt (siehe Gleichrichtung). Wenn der p-Bereich z. B. mit dem Pluspol einer Batterie und der n-Bereich mit dem Minuspol verbunden ist, fließt ein großer Strom in dem Material durch die Trennschicht. Wenn die Batterie umgekehrt angeschlossen wird, fließt kein Strom.