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Physik-Vortrag "Anwendung von Transistoren" Transistor: Der Bipolartransistor wurde auf der Grundlage der Diode entwickelt. Eine Diode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten (PN- beziehungsweise NP-dotiert) und "schaltet" Strom nur in einer Richtung durch. Ein Transistor ist nun eine Kombination aus drei abwechselnden p- und n-dotierten Halbleiterschichten (NPN- beziehungsweise PNP). Sie werden als Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet. Die Basis ist besonders dünn und liegt zwischen Kollektor und Emitter. Die drei Kristallschichten bilden zwei p-n-Übergänge aus, d.
h. es handelt sich um zwei Dioden mit einer gemeinsamen Elektrode. Solange man nur Kollektor und Emitter anschließt (+ am Kollektor, - am Emitter), hat man es mit zwei Dioden zu tun, von denen eine gesperrt ist, es fließt also kein Strom. Die angelegte Spannung verkleinert zwar die B-E-Sperrschicht, vergrößert aber die C-B-Sperrschicht. Durch Schließen des B-E-Stromkreises (+ an der Basis, - am Emitter) wird die B-E-Diode leitend. Es gelangen Elektronen aus dem Emitter (lat.
emittere = aussenden) in die Basis. Wegen der geringen Weite der Basis können die meisten Elektronen auf die Seite der C-B-Sperrschicht diffundieren, von der aus diese keinen Potenzialwall, sondern ein Gefälle darstellt. Das elektrische Feld in der Sperrschicht beschleunigt die Elektronen in Richtung Kollektor (lat. colligere = sammeln). Somit fließt nun auch Strom im C-E-Stromkreis. Die Schaltung selbst baut darauf auf, dass sie aus zwei gleichen Hälften besteht.
Immer wird auf der einen Seite der Kondensator geladen und auf der anderen Seite brennt die LED. Sobald der Kondensator gefüllt ist kippt das Ganze um und läuft andersrum. Arbeitsbereiche Der Bipolartransistor besteht aus zwei PN-Übergängen, so dass man ihn auch als Hintereinanderschaltung von zwei Dioden betrachten kann. Indem man entsprechende Spannungen anlegt, kann man beide Übergänge unabhängig voneinander sperren oder durchschalten. Dadurch ergeben sich vier mögliche Arbeitsbereiche, in denen der Transistor ein je eigenes Verhalten zeigt. . Sperrbereich: Beide Übergänge sperren.
Hier leitet der Transistor keinen Strom. Er entspricht einem geöffneten Schalter. . Sättigungsbereich: Beide Übergänge schalten durch. Hier leitet der Transistor den Strom, allerdings ist der Kollektorstrom IC unabhängig vom Basisstrom IB. Der Transistor entspricht einem geschlossenen Schalter. Flip-Flop Ein Flipflop auch bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied genannt, ist ein elektronisches Bauelement, das einen elementaren Zustandsspeicher realisiert.
Ein Flipflop ist durch zwei mögliche stabile Zustände gekennzeichnet. Die Realisierung kann im Hinblick auf die verwendeten Schaltgatter, auf die Verwendung eines Takteinganges und ähnliche Eigenschaften variieren. Es stellt eine besonders wichtige und elementare Form von Schaltnetz dar. Ein Flipflop hat zwei Zustände: gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset). Um das Flipflop zu setzen, muss am \"set\" Eingang ein Signal angelegt werden (z.B.
bei der Transistor-Transistor-Logik (TTL) eine Spannung von 5 Volt), danach bleibt das Flipflop im gesetzten Zustand, bis ein weiteres Signal auf den \"reset\" Eingang gelegt wird. Durch diese Zustände kann beispielsweise eine binäre Ziffer dargestellt werden (0 oder 1). Durch das Zusammenschalten mehrerer Flipflops entstehen komplexe Systeme wie Zähler (Asynchron / Synchron), Datenspeicher (Arbeitsspeicher) und Mikroprozessoren. Flipflops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik von heute, einschließlich der Computer. Stromverstärkung Da der zwischen Basis und Emitter fließende Strom nur die B-E-Sperrschicht leitend machen muss, genügt hier ein kleiner Strom. Die einmal in die Basis gelangten Elektronen fließen zum größten Teil (ca.
99%) weiter zum Kollektor. Es wird also ein ca. 100mal größerer Strom durch den kleinen gesteuert. Das Verhältnis der Ströme ist vom Typ abhängig, man bezeichnet es als den Stromverstärkungsfaktor β. Es liegt in der Größenordnung von 10 bis 10000, je nach Konstruktion des Transistors. Die Wirkungsweise eines pnp-Transistors ist entsprechend, jedoch sind die Polungen beider Stromkreise umzukehren, um der entgegengesetzten Polung der beiden Sperrschichten Rechnung zu tragen.
Verstärkungsbereich: Der Basis-Kollektor-Übergang sperrt, der Basis-Emitter-Übergang schaltet durch. Hier gilt näherungsweise , wobei B der Stromverstärkungsfaktor ist. Da B relativ groß ist, führen hier kleine Änderungen des Basisstroms IB zu großen Änderungen des Kollektorstroms IC. Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken.
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