Grundlagen der Elektronik: Halbleiter, Dioden & Transistoren

Grundlagen der Elektronik

Die Grundlagen der elektronischen Technologie basieren auf dem Verständnis elektronischer Phänomene. Die Technik dieses Jahrhunderts hat sich in verschiedene Disziplinen unterteilt und eine beschleunigte Entwicklung erlebt. Dabei hat die Elektronik eine führende Rolle gespielt: zuerst mit Vakuumröhren, dann mit der Diode und dem Transistor, gefolgt von der integrierten Schaltung und dem Mikroprozessor.

Halbleiter

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Eigenschaften zwischen denen von Leitern und Isolatoren liegen. Unter bestimmten Bedingungen ermöglichen sie den Durchgang von elektrischem Strom. Man unterscheidet zwei Typen:

• Intrinsische Halbleiter: Bestehen aus einer einzigen Grundkomponente, in der Regel Germanium oder Silizium.
• Extrinsische Halbleiter: Da Halbleiter von Natur aus eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzen, werden gezielt Verunreinigungen in das Kristallgitter eingebracht (Dotierung), um die Leitfähigkeit zu erhöhen.

Die Diode

Eine Diode besteht im Wesentlichen aus zwei miteinander verbundenen Halbleiterschichten (P- und N-Typ). Der P-Halbleiter ist mit der Anode (A) verbunden, der N-Halbleiter mit der Kathode (K).

Die Diode erfüllt verschiedene Funktionen, wobei die wichtigste in der Industrie die Verwendung als Gleichrichter ist:

• Durchlassrichtung: Ist die Anode gegenüber der Kathode positiv, ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt. Sie verhält sich wie ein geschlossener Schalter und lässt Strom fließen.
• Sperrrichtung: Ist die Anode gegenüber der Kathode negativ, sperrt die Diode und lässt keinen Strom durch.

Gleichrichter

Elektronische Schaltungen benötigen oft eine Gleichstromquelle. Da das öffentliche Stromnetz jedoch Wechselstrom liefert, werden Gleichrichter eingesetzt, um diesen in Gleichstrom umzuwandeln.

Der Transistor

Der Transistor wurde 1948 von Forschern der Bell Telephone Laboratories entwickelt und löste einen enormen Impuls in der Elektronik aus. Er besteht aus zwei PN-Übergängen. Transistoren können als diskrete Bauteile vorliegen oder in einen Chip integriert sein. Sie finden Anwendung in fast allen elektronischen Schaltungen, etwa zur automatischen Steuerung, Signalverstärkung, in Taschenrechnern oder Radios.

Bipolare Transistoren

Ein bipolarer Transistor besteht aus drei Halbleiterblöcken mit drei Anschlüssen. Er arbeitet in drei Zuständen:

• Sättigung: Er verhält sich wie ein geschlossener Schalter zwischen zwei Anschlüssen, wenn am dritten Anschluss ein entsprechendes Signal anliegt (ähnlich einem Relais).
• Sperrbereich (Cut-off): Das Gegenteil der Sättigung. Ohne Signal am Steueranschluss sind die anderen Anschlüsse elektrisch isoliert (wie ein offener Schalter).
• Verstärkung: Ein kleines analoges Eingangssignal wird in ein leistungsstärkeres Ausgangssignal umgewandelt.