Grundlagen der Elektronik: Halbleiter, Dioden und Transistoren

Halbleiter: Eigenschaften und Dotierung

Halbleiter sind Materialien, die weder als Leiter noch als Isolatoren fungieren. Bei Raumtemperatur sind sie schlechte Wärmeleiter, können aber durch externe Energiezufuhr (z. B. Strom) leitend gemacht werden. Wichtige Beispiele sind Silizium und Germanium.

Um ihre Leitfähigkeit zu verbessern, wird der Prozess des Dotierens (Doping) angewendet. Man unterscheidet:

• P-Typ-Halbleiter: Dem Dotierstoff (z. B. Aluminium, Bor und Gallium) fehlen Elektronen, wodurch positive Löcher entstehen, die den Elektronenfluss ermöglichen.
• N-Typ-Halbleiter: Der Dotierstoff fügt freie Elektronen hinzu.

Der PN-Übergang und Polarisation

Bildung des PN-Übergangs

Ein PN-Übergang wird durch die Verbindung eines P-dotierten Halbleiters (z. B. Silizium oder Germanium) mit einem N-dotierten Halbleiter desselben Materials gebildet.

Es kommt zur Diffusion von Ladungsträgern:

• Löcher diffundieren vom P-Typ-Material zum N-Typ-Material (wobei negative Ionen zurückbleiben).
• Elektronen diffundieren vom N-Typ-Material zum P-Typ-Material (wobei positive Ionen zurückbleiben).

Dadurch bildet sich eine Potentialbarriere (Vc), die den Übergang isoliert und als Sperrschicht bezeichnet wird.

Polarisierung des PN-Übergangs

Sperrpolarisierung (Sperrspannung)

Der Minuspol der Batterie wird mit dem P-Gebiet und der Pluspol mit dem N-Gebiet verbunden.

Löcher und Elektronen werden vom Übergang weggezogen (von den Polen angezogen), wodurch die Barriere vergrößert wird. Der PN-Übergang leitet keinen Strom. Wird ein bestimmter Wert der Sperrspannung überschritten, kann der PN-Übergang zerstört werden (Durchbruch).

Durchlasspolarisierung (Vorspannung)

Der Pluspol der Batterie wird mit dem P-Gebiet und der Minuspol mit dem N-Gebiet verbunden.

Die Batteriespannung wirkt der Potentialbarriere entgegen. Die Barriere wird kleiner, und ein Strom fließt durch den Schaltkreis.

Dioden: Funktion und Typen

Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das den Stromfluss nur in einer Richtung zulässt. Sie besteht aus einem PN-Übergang mit zwei Anschlüssen:

• Anode: Der positive Anschluss (P-Gebiet).
• Kathode: Der negative Anschluss (N-Gebiet).

Die Leuchtdiode (LED)

Die LED (Light Emitting Diode) setzt die erzeugte Energie als sichtbare oder unsichtbare elektromagnetische Strahlung frei.

• Anwendungen: Infrarot-LEDs (unsichtbare Strahlung) werden in Fernbedienungen und Infrarot-Alarmsystemen verwendet. LEDs dienen auch zur Darstellung von Zahlen oder Buchstaben in Displays elektronischer Geräte und zur Statusanzeige (Schaltung verbunden/getrennt).
• Kenndaten: Die Schwellenspannung (Flussspannung) einer LED liegt typischerweise zwischen 1,8 V und 2 V. Der maximale Strom, den die LED verträgt, beträgt meist 20 mA.

Identifizierung der Anschlüsse

Die Anschlüsse können identifiziert werden:

• Mit einem Ohmmeter.
• Anhand der Länge der Pins: Der längste Pin ist die Anode (+).
• Die Markierung (Abflachung oder Kerbe) am Gehäuse kennzeichnet die Kathode (-).

Das Siebensegment-Display

Das Display besteht aus sieben länglichen Leuchtdioden, die so angeordnet sind, dass sie je nach Beleuchtung eine Zahl von 0 bis 9 darstellen können.

Der Transistor: Aufbau und Funktion

Im Jahre 1947 (korrigiert) entdeckten amerikanische Physiker den Transistor. Durch den Transistor wurden weitere Erfindungen ermöglicht, wie die Integrierte Schaltung (IC). Computer und andere elektronische Systeme sind dank ICs möglich.

Transistorstruktur und Anschlüsse

Äußerlich besteht der Transistor aus einem Gehäuse in verschiedenen Formen und meist drei Metallanschlüssen. In einigen Fällen sind es nur zwei, da der dritte Anschluss durch eine metallische Beschichtung am Gehäuse gebildet wird.

Der Transistor besteht aus einem Halbleiterkristall, der entweder eine P-Zone zwischen zwei N-Zonen (NPN) oder eine N-Zone zwischen zwei P-Zonen (PNP) aufweist. Der Unterschied zwischen NPN- und PNP-Transistoren wird durch die Richtung des Pfeils auf dem Schaltzeichen dargestellt.

Die drei Anschlüsse sind:

• Basis (B): Die Steuerelektrode.
• Emitter (E): Emittiert oder injiziert Majoritätsladungsträger in die Basis.
• Kollektor (C): Sammelt die Ladungsträger vom Emitter.

Polarisierung und Verstärkung

Damit ein Transistor funktioniert, muss der Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung polarisiert werden.

Die Stromverstärkung (Beta-Faktor, β) eines Transistors ist das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom. Sie liegt in der Regel zwischen 100 und 300.

Anwendungen des Transistors

Transistoren ermöglichten kleinere elektronische Geräte als die zuvor verwendeten Elektronenröhren (Ventile). Sie zeichnen sich durch einen geringeren Stromverbrauch aus, da sie im Gegensatz zu Röhren keine Heizung benötigen.

Der Transistor kann als Schalter und als Verstärker verwendet werden.

Transistor als elektronischer Schalter

Der Transistor funktioniert wie ein geschlossener Schalter, wenn Strom an die Basis angelegt wird (Betrieb im Sättigungsbereich), und wie ein offener Schalter, wenn kein Strom angelegt wird (Betrieb im Sperrgebiet).

Beispiel: LED-Steuerschaltung

In einer Schaltung, die eine LED zum Leuchten bringt, fungiert der Transistor als elektronischer Schalter.

• Die festen Widerstände R1 und R2 sowie der einstellbare Widerstand R3 sind vorhanden.
• R1 dient zur Strombegrenzung am Kollektor, um die LED vor dem Durchbrennen zu schützen.
• R2 und R3 begrenzen den Basisstrom.

Wird eine Spannung an die Basis angelegt, schaltet der Transistor die LED ein. An der Basis ist eine Steuerschaltung angeschlossen, die die notwendige Spannung liefert und kontrolliert, wann die LED leuchtet.

Wenn der Taster betätigt wird, leuchtet die LED (Betrieb in Sättigung). Wenn der Taster losgelassen wird, fließt kein Strom (Betrieb im Sperrgebiet).

Die Funktion des Widerstands R3 ist es, die Spannung zu variieren. Diese Variationen beeinflussen den Strom zwischen Emitter und Kollektor und somit die Lichtintensität der LED (Betrieb im aktiven Bereich oder Verstärkerbetrieb).

Magnetische Eigenschaften und Elektromagnetismus

Magnetische Materialien

Materialien mit magnetischen Eigenschaften, die von einem Magneten angezogen werden, sind Eisen, Kobalt, Nickel und Stahl.

Das erste bekannte magnetische Material war Magnetit (ein natürlicher Magnet). Heute werden Magnete oft mithilfe von Elektrizität erzeugt.

Jeder natürliche oder künstliche Magnet hat zwei Pole (Nord- und Südpol), die nicht voneinander getrennt werden können. Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab.

Elektromagnetismus

Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld um sich herum.

Wenn Strom durch eine Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld um die Spule. Legt man ein Stück Stahl für einige Minuten in die Spule, wird es magnetisiert. Trennt man den Strom, kann das Stück Stahl als permanenter Magnet verwendet werden.

Wird ein weicher Eisenkern dauerhaft in der Spule fixiert, erhält man einen Elektromagneten, dessen Magnetfeld ein- und ausgeschaltet werden kann.

Das Relais: Elektrischer Schalter

Ein Relais ist ein elektrischer Schalter, der es ermöglicht, ein Hochleistungsgerät mit einem viel kleineren Steuerstrom zu schalten. Relais sind nützlich, da sie Ströme von mehreren zehn Ampere unterstützen, was kleine elektronische Schaltungen oft nicht können.

In seiner einfachsten Form ist ein Relais ein Schalter, der durch einen Elektromagneten geöffnet und geschlossen wird.

Relais-Klassen

• Relais mit einem normalen Schalter (SPST).
• Umschaltrelais (SPDT).
• Doppel-Umschaltrelais (DPDT).

Anwendung: Relais als Schalter

Relais mit Schließer-Kontakt (Normal)

Bei geöffnetem Steuerkreis ist das Relais nicht aktiviert, und der Lampenstromkreis ist unterbrochen. Bei geschlossenem Steuerkreis wird das Relais aktiviert, und die Lampe schaltet sich ein.

Relais mit Umschalt-Kontakt

Dieses Relais unterscheidet sich vom vorherigen dadurch, dass der Elektromagnet einen Umschaltkontakt anzieht, anstatt nur einen Standard-Schalter zu betätigen.

• Steuerkreis offen: Das Relais ist nicht aktiviert. Der Lampenstromkreis ist unterbrochen, aber der Motor läuft.
• Steuerkreis geschlossen: Das Relais wird aktiviert. Die Lampe schaltet sich ein, während der Motor ausgeschaltet wird.

Relais mit zwei Schaltern

Eine Anwendung eines solchen Relais ist die Umkehrung der Drehrichtung eines Motors.