Halbleiterbauelemente: Diode, Kondensator und Transistor

Halbleitermaterialien und ihre Anwendungen

Das wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium. Es ist kostengünstig und reichlich in der Erdkruste vorhanden. Andere wichtige Halbleitermaterialien sind Germanium und Galliumarsenid. Aus Halbleitermaterialien werden aktive elektronische Bauelemente hergestellt, die die Kernfunktionen in elektronischen Schaltungen ausführen.

Die Diode: Ein elektronisches Bauelement

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das den elektrischen Strom nur in eine Richtung leitet. Sie besteht aus zwei miteinander verbundenen Halbleiterkristallen, meist aus Silizium oder Germanium.

Wenn der Pluspol der Diode mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist, leitet die Diode wie ein geschlossener Schalter. In diesem Fall spricht man von einer Durchlasspolung.

Wenn der Pluspol der Diode mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist, verhält sich die Diode wie ein offener Schalter und lässt keinen Strom durch. In diesem Fall spricht man von einer Sperrpolung.

Arten von Dioden

• Gleichrichterdioden: Sie wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um.
• Leuchtdioden (LEDs): Sie geben Licht ab, wenn sie in Durchlassrichtung gepolt sind. LEDs gibt es in verschiedenen Farben (rot, grün, gelb, weiß). Sie werden in vielen Anzeigegeräten verwendet. Eine weitere Anwendung sind Fernbedienungen.

Symbol einer Gleichrichterdiode (Kathodenseite mit + gekennzeichnet)

Symbol einer LED

Der Kondensator: Ein Energiespeicher

Ein Kondensator ist ein Bauelement, das elektrische Ladungen speichert und bei Bedarf wieder abgibt. Die Fähigkeit, Ladungen (Elektronen) zu speichern, ist jedoch begrenzt, weshalb Kondensatoren nicht als Batterien verwendet werden.

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten (meist Aluminium), die durch ein Dielektrikum (z. B. Papier, Keramik) voneinander getrennt sind.

Funktionsweise eines Kondensators

Wenn der Kondensator nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, ist er ungeladen. Beim Anschließen an eine Spannungsquelle (z. B. eine Batterie) lädt sich der Kondensator auf. Dabei sammeln sich elektrische Ladungen (Elektronen) auf den beiden Platten an.

Wenn der Schalter geöffnet und der Kondensator von der Spannungsquelle getrennt wird, behält er die gespeicherte Ladung. Die Kapazität eines Kondensators, also die Menge an Ladung, die er speichern kann, wird in Farad (F) gemessen.

Anschluss einer LED: Der Vorwiderstand

LEDs haben eine bestimmte Betriebsspannung (z. B. 2V oder 3V) und einen bestimmten Betriebsstrom (z. B. 20mA). Um eine LED an eine höhere Spannung anzuschließen, muss ein Vorwiderstand in Reihe mit der LED geschaltet werden. Dieser Widerstand begrenzt den Stromfluss und schützt die LED vor Beschädigung.

Der Transistor: Schalter und Verstärker

Der Transistor ist ein elektronisches Bauelement mit drei Anschlüssen. Er kann den Stromfluss zwischen zwei Anschlüssen steuern, indem er den Stromfluss durch einen dritten Anschluss beeinflusst.

Man kann sich den Transistor wie einen Schalter vorstellen, der je nach Stromfluss am dritten Anschluss (Basis) den Strom zwischen den beiden anderen Anschlüssen (Kollektor und Emitter) ein- oder ausschaltet.

Der Transistor kann auch als Verstärker wirken. In einem Audioverstärker beispielsweise verstärken Transistorschaltungen das elektrische Signal, das dann über Lautsprecher als Schall wiedergegeben wird.

Funktionsweisen des Transistors

1. Sperrbereich: Wenn kein Strom an der Basis anliegt, fließt kein Strom zwischen Kollektor und Emitter. Der Transistor ist gesperrt und wirkt wie ein offener Schalter.
2. Aktiver Bereich: Wenn ein kleiner Strom an der Basis anliegt, öffnet sich ein kleiner Durchgang zwischen Kollektor und Emitter. Der Transistor arbeitet als Verstärker. Der Kollektorstrom ist direkt proportional zum Basisstrom. Wenn der Verstärkungsfaktor 100 beträgt, ist der Kollektorstrom 100-mal so groß wie der Basisstrom.
3. Sättigungsbereich: Wenn ein großer Strom an der Basis anliegt, ist der Durchgang zwischen Kollektor und Emitter vollständig geöffnet. Der Transistor wirkt wie ein geschlossener Schalter.