Halbleiter

Halbleiter sind elektronische Bauteile welche Strom nur unter bestimmten Bedingungen leiten, und ansonsten sperren. Halbleiter bestehen meistens aus ksistallinem Silizium oder Germanium. Diese Materialien sind grudsätzlich isolatoren da sie weder Elektronen abgeben noch aufnehmen wollen. Es werden absichtlich Verunreinigungen in das Material eingeschleust. Diese Verunreinigungen fügen sich in die Kristallstruktur ein, und besitzen entweder ein extra Elektron, oder haben einen freien Platz für ein Elektron. Das Material wird daruch entweder positiv (Elektronenüberschuss) oder negativ (Elektronenmangel) geladen. Berührt positives Material ein negatives Material wird ein sogenanntet PN-Übergang geschaffen. Die extra Elektronen wandern von der negativen Seite zur positiven Seite. Im PN-Übergang kehrt sich die Ladung dadurch um, und es können keine weitere Elektronen fliessen, da sie von der nun existierenden Ladung im Übergang zurückgestossen werden. Es entsteht eine sogenannte Sperrschicht.

Technische und reale Stromrichtung

Der Strom fliesst in Wirklichkeit anders als es schematische Darstellungen zeigen. In einem Schema wird generell davon ausgegangen, dass der Strom vom Pluspol zum Minuspol fliesst. In der Wirklichkeit ist der Minuspol negativ geladen weil er zu viele Elektronen hat, und der Pluspol ist positiv weil er zu wenige Elektronen hat. Die Elektronen fliessen in einer Schaltung daher vom Minuspol zum Pluspol. Dies spielt für die meisten Komponenten keine Rolle, ist für Halbleiter aber essenziell. In diesem Artikel wird daher bei "positiv" und "plus" von einem Mangel an Elektronen ausgegangen, und bei "negativ" oder "minus" von einem Überschuss an Elektronen.

Diode

Die Diode besteht aus einem einzelnen PN-Übergang und dadurch einer einzelnen Sperrschicht. Bei einer Siliziumdiode beträgt die Sperrschicht ca. 0.7V, bei einer Germaniumdiode 0.3V.
Die positive Seite ist die Anode, und die negative Seite die Kathode. Wird nun eine Spannungsquelle angelegt (minus zur Kathode und plus zur Anode), kann die Spannungsquelle weitere Elektronen zur Verfügung stellen um die Sperrschicht zu überschreiten. Die Diode wird dann durchlässig, und leitet den Strom mit nur wenig Verlust weiter. Man sagt, dass die Diode in "Durchlassrichtung" betrieben wird.
Wird die Spannungsquelle verkehrt herum angeschlossen (plus an Kathode, minus an Anode), zieht der Pluspol die Elektronen der Kathode an, und der Minuspol stösst die negativen Ladungen in der Diode ab, wodurch alle Elektronen zum Pluspol wandern. Dies vergrössert die Sperrschicht bis zu dem Punkt wo die Spannung in der Sperrschicht der der Spannungsquelle gleicht. Von diesem Moment an fliessen keine Elektronen mehr durch die Diode. Man sagt auch, dass die Diode in "Sperrrichtung" betrieben wird. Wird die Spannung an der Spannungsquelle weiter erhöht, kann die Diode der Spannung nicht mehr standhalten un Strom beginnt erneut zu fliessen. Mit Ausnahme von Dioden die für diesen Zweck gebaut wurden, zerstört dies häufig die Diode.

Arten von Dioden

Neben der herkömlichen Siliziumdiode existiert auch eine Germaniumdiode. Sie hat einen kleineren Spannungsabfall als eine Siliziumdiode.
Eine Zenerdiode ist eine Diode welche speziell konstruiert wurde um in Sperrrichtung betrieben zu werden. Die Durchbruchspannung ist relativ genau definiert, und beschädigt die Diode nicht.
Eine Kapazitätsdiode (oder "Varactor") ist eine Diode die als variablen Kondensator gebraucht wird. Da die Sperrschicht Ladungen voneinander trennt ist jede Diode auch ein kleiner Kondensator. Je nach angebrachter Spannung und Polarität kann diese Kapazität beeinflusst werden durch die Vergrösserung oder Verkleinerung der Sperrschicht.
Eine Schottky-Diode, auch Hot-Carrier-Diode genannt, ist eine auf schnelles Schalten oder einen niedrigeren Spannungsabfall in Durchlassrichtung optimierte Diode, sie sperrt jedoch nicht so gut wie andere Arten von Dioden.

Gleichrichtung

Da die Diode in einer Richtung sperrend ist, kann sie als Gleichrichter verwendet werden.

Halbwellengleichrichter

Eine einzelne Diode schneidet die negative Halbwelle der Wechselspannung einfach ab und lässt nur die positive Halbwelle durch, oder umgekehrt, je nach Polarität der Diode. Dies ist die einfachste Art eines Gleichrichters, erzeugt aber lange Perioden wo kein Strom fliessen kann.

Gleichrichter mit Mittelabgriff

Der Gleichrichter mit Mittelabgriff war populär als Dioden noch relativ teuer waren. Ein Transformator der auf der Sekundärseite einen Abgriff in der Mitte hat wird hierfür benötigt. Der Mittelabgriff fungiert als der negative Pol. Der positive Pol kann an jedem Ende der Spule sein, und nur die korrekte Seite wird mittels zwei Dioden durchgelassen.

Brückengleichrichter

Brückengleichrichter (auch Graetzschaltung genannt) verwenden vier Dioden für die Gleichrichtung. Der Gleichrichter ist nicht von anderen Komponenten abhängig. Dieser Gleichrichter ist heute die populärste Form. Die Brücke ist häufig als eine einzelne Komponente verbaut anstelle der vier diskreten Dioden. Die häufigste Darstellung ist die Diamantenform.

Verwendung als Spannungsschutz

Reguläre Dioden können verwendet werden um Beschädigung einer Schaltung durch falsche Polarität beim Netzteil vorzubeugen, und Zenerdioden können verwendet werden um Überspannungen abzuleiten.
Die Grafik zeigt eine solche Schaltung. Die Diode verhindert, dass Strom fliessen kann wenn die Spannungsquelle verkehrt herum angeschlossen wird. Die Zenerdiode verhindert, dass eine zu starke Spannung angeschlossen wird. In einem 12V Schaltkreis könnte also z.B. eine 15V Zenerdiode verbaut werden. Ist die Spannungsquelle zu stark, wird die Zenerdiode unter sehr geringem Widerstand leitend, und löst die Sicherung aus (oder zerstört sie bei einer Schmelzsicherung).

Transistor

Ein BJT (Bipolar Junction Transistor) besteht aus zwei PN-Übergängen (PNP oder NPN), weshalb es vier mögliche Arten der Beschaltung gibt, da jeder PN-Übergang in Fluss- oder Sperrrichtung geschaltet werden kann. Im Ruhezustand ist je nach Anschluss der Spannungsquelle immer eine der beiden übergänge in Sperrrichtung. Der Anschluss am einen Ende heist Emiter, und der Anschluss am anderen Ende Kollektor.
Ein Transistor hat in der Mitte noch einen weiteren Anschluss, genannt Basis. Über die Basis kann das Verhalten der beiden PN-Übergänge gesteuert werden.
Die üblichste Art der Beschaltung ist der Verstärkungsbereich, dabei ist der Emitter-Basis-Übergang in Flussrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung gepolt. Diese Schaltung entspricht der gezeigten Animation. Die Stärke des Kollektor-Emmiter-Stromflusses wird durch die Stärke des Emitter-Basis-Stromflusses bestimmt. Dieser Transistor ist also Stromgesteuert.

Durch Schliessen des Basis-Emitter-Stromkreises wird die Basis-Emitter-Diode leitend. Wie bei der einfachen PN-Diode werden Defektelektronen aus der Basis (P-dotiert) in den Emitter (N-dotiert) injiziert (engl. injected). Es fliesst ein kleiner Basisstrom. Im Emittergebiet klingt der Minoritätsladungsträgerüberschuss, in diesem Fall Defektelektronen, mit der Diffusionslänge ab, die Defektelektronen rekombinieren mit den Elektronen. Analog dazu werden Elektronen aus dem Emitter (lat. emittere = aussenden) in die Basis injiziert. Da der Emitter höher dotiert ist als die Basis, überwiegt der Elektronenstrom vom Emitter in die Basis. Dieser Elektronenfluss ist wesentlich grösser als der Löcherstrom aus der Basis in den Emitter. Aufgrund der geringen Weite der Basis, die kleiner als die Diffusionslänge der Ladungsträger sein muss, rekombinieren jedoch nur wenige der Elektronen mit den Defektelektronen. Die meisten Elektronen (ca. 99 %) diffundieren durch die Basis in die Kollektor-Basis-Sperrschicht, der Basis-Kollektor-Übergang wird in Sperrrichtung betrieben. Dort driften sie wegen des grossen Potentialabfalls in den Kollektor (lat. colligere = sammeln). In Form des Kollektorstroms fliessen somit Elektronen vom Emitter in den Kollektor.

Effizienz

Die Effizienz eines Transistors ist in `beta` gegeben, welches den Verstärkungsfaktor angibt. Diese einheitenlose Zahl gibt das Verhältnis zwischen Basis- und Kollektorstrom an:
`beta=I_C/I_B`
Ein Transistor mit `beta=200` bedeutet also, dass der Kollektorstrom 200 mal grösser ist, als der Basisstrom.
Hinweis: Ein BJT hat kein separates Terminal für den Basisstrom und den Kollektorstrom, beide fliessen durch den Emitter ab. Das bedeutet `I_E=I_B+I_C` und dementsprechend auch: `I_E=I_B*(beta+1)` und `I_E=I_C+(I_C/beta)`
In Einem Siliziumtransistor beträgt der Spannungsverlust von Gate zu Emitter ca 0.7 Volt.

Beschaltung

Ein Transistor kann auf drei Arten beschaltet werden wodurch verschiedene Effekte erzielt werden können. In welcher Schaltung sich ein Transistor befindet findet man heraus in dem man die Ströme untersucht. Ein Eingang wird immer die kombinierten Ströme aus den anderen Eingängen enthalten, dieser definiert die Schaltung. Fliessen beide Ströme also durch den Emitter, ist der Transistor in der Emitterschaltung.

	Emitterschaltung	Basisschaltung	Kollektorschaltung
Prinzip
Praktische Schaltung
Eigenschaften
`r_e`	mittel z.B. 1 kΩ	klein z.B. 50 Ω	gross z.B. 100 kΩ
`r_a`	mittel z.B. 10 kΩ	gross z.B. 100 kΩ	klein z.B. 50 Ω
`v_i`	gross z.B. 100	<1	gross z.B. 100
`v_u`	gross z.B. 100	gross z.B. 100	<1
`v_p`	sehr gross z.B. 10000	gross z.B. 100	gross z.B. 100
`varphi_u`	gegenphasig 180°	gleichphasig 0°	gleichphasig 0°

Elektronenröhre

Die Elektronenröhre ist der Vorläufer des Halbleiters. Dioden wie Transistoren existieren auch in Röhrenform. Das Funktionsprinzip einer Röhre ist relativ simpel und basiert auf dem phänomen, dass bestimmte Materialien wenn sie sehr heiss sind elektronen nicht sehr gut festhalten können, und diese dann das Material verlassen können.
Die vermutlich am häufigsten hergestellte Röhre ist die Triode. Ihre Funktionalität gleicht der eines Transistors.
Obwohl als Technologie sehr veraltet und seit den 1940er Jahre langsam (und ab 1960 stark) durch Halbleiter ersetzt, finden Röhren auch heute noch in einigen Gebieten Anwendung, insbesondere wenn grosse Leistungen benötigt werden. Die Mikrowellenkanone (Magnetron) in einem Mikrowellenofen zum Beispiel ist auch heute noch eine Röhre.

Der Aufbau einer einfachen Triode ist simpel (Aufbau, nicht Herstellung). In einem vakumierten Gefäss (häufig aus Glas) werden drei Elemente untergrbracht und mittels Kontaktstiften die durch das Gehäuse dringen von aussen zugängig gemacht. Am einen Ende ist die Kathode, gegenüber die Anode, und dazwischen das Gitter. Keines der drei Elemente ist mit den anderen verbunden.

In den meisten Röhren wird an einer Stelle eine Schicht aus sehr stark oxidierendem Metall angebracht (häufig Barium). Sollte die Röhre nicht ganz dicht sein, würde eintretender Sauerstoff zuerst mit diesem Material reagieren, anstelle der Kathode. Dadurch kann die Lebensdauer der Röhre etwas gestreckt werden.

Funktionsprinzip

Wird die Kathode erhitzt fängt sie an Elektronen abzustossen. Bestimmte Materialien können dies, weil sie elektronen nicht sehr stark festhalten. Ist die Wärmeenergie grösser als die Energie um Elektronen festzuhalten, werden diese abgestossen. Dies kann gefördert werden indem die Kathode im vergleich zur Anode eine negative Spannung aufweist. Die Spannungsquelle führt dann konstant elektronen der Kathode zu, welche diese abstösst. Normalerweise werden die Elektronen sofort von der Umgebung zurückgeworfen, da die Röhre aber vakumiert ist, können sich diese nun frei bewegen. Wird die Anode an die Positive Seite der Spannungsquelle angeschlossen, zieht diese die Elektronen an. Ein Strom beginnt zu fliessen.

Die Elektronen müssen das Gitter passieren. Weist das Gitter keine Spannung auf, geschieht dies ohne grosses Hindernis. Am Gitter kann nun eine negative Spannung angelegt werden (negativ im Verhältnis zur Kathode). Dies führt dazu, dass sich das Gitter negativ auflädt. Diese negative Ladung sösst nun elektronen zurück. Je negativer das Gitter geladen ist, desto mehr elektronen werden zurückgeworfen, mit anderen Worten, der Strom zwischen Anode und Kathode nimmt ab, und der Widerstand der Röhre nimmt zu. Strom durch das Gitter fliesst in einer idealen Röhre keiner. Die Röhre ist also ein Spannungsgesteuertes Bauteil.

Beschaltung

Das Bild zeigt eine Triode in einer sehr simplen Schaltung. Der obere Kontakt ist die Anode, der mittlere Kontakt das Gitter, und der untere Kontakt die Kathode. Anode und Kathode sind rechts im Bild an einer Spannungsqelle angeschlossen. Der rote und grüne Widerstand bilden einen Spannungsteiler, ausserdem beschränken Sie den Stromfluss. Der blaue Widerstand sorgt dafür, dass das Wechselstromsignal links vom Kondensator auf ein bestimmtes level angehoben wird.

Die Kathode wird also mittels dem Spannungsteiler (rot + grün) auf eine geeignete Spannung gebracht. Der blaue Widerstand kann so dimensioniert sein, dass die Gitterspannung zwischen der Masse und der Kathodenspannung ist. Aus sicht der Kathode hat das Gitter also eine negative Spannung. Je negativer die Gitterspannung ist, desto weniger Strom wird fliessen. Ein Wechselstrom der über den Kondensator von links kommt wird nun auf diese Gleichspannung addiert. Dies verändert die Gitterspannug nun abhängig von der Amplitude des Eingangssignales. Dadurch ändert sich nun auch der Widerstand der Röhre mit dem Eingangssignal. Dies hat zur Folge, dass sich der Stromfluss durch die Röhre auch dementsprechend ändert. Hat die Spannungsquelle eine viel höhere Spannung als das Wechselstromsignal, entsteht im Spannungsteiler eine verstärkte Kopie des Signales.

Feldeffekt Transistor

Der Feldeffekt Transistor (FET) funktioniert wie eine Röhre, aber auf Halbleitertechnik. Das Bauteil muss also nicht beheizt werden, dadurch verbrauchen diese Bauteile massiv weniger Energie. Die Anschlüsse haben andere Namen: Source, Drain, Gate. Source ist wie die Kathode der Röhre, Drain wie die Anode und Gate wie das Gitter. Die Beschaltung ist dementsprechend gleich.