Diode und Transistor: Funktion und Berechnung

Halbleiter wie Silicium leiten den Strom schlechter als Metalle, aber besser als Isolatoren. Ihre Leitfähigkeit lässt sich gezielt verändern, indem man fremde Atome einbringt, was man Dotieren nennt. Beim n-dotierten Silicium stehen zusätzliche bewegliche Elektronen zur Verfügung, beim p-dotierten Silicium fehlen Elektronen, es gibt sogenannte Löcher, die wie positive Ladungsträger wirken.

Fügt man ein n-Gebiet und ein p-Gebiet zusammen, entsteht der pn-Übergang. An der Grenze wandern Elektronen und Löcher ineinander und verschwinden. Übrig bleibt eine Schicht ohne bewegliche Ladungsträger, die Sperrschicht. Dieser pn-Übergang ist der Kern der Diode und aller Transistoren.

Die Diode ist das einfachste Bauteil dieser Art, der Transistor besteht aus drei Schichten und hat drei Anschlüsse. Beide sind in Handys, Computern, Autos und Netzteilen millionenfach verbaut. Ohne sie gäbe es keine moderne Elektronik.

Ein Transistor hat drei Anschlüsse: Basis, Kollektor und Emitter. Der große Strom fließt vom Kollektor zum Emitter. Ob und wie viel er fließt, steuert ein sehr kleiner Strom in die Basis. Man kann sich den Transistor wie einen Wasserhahn vorstellen, den man mit sehr wenig Kraft auf- und zudrehen kann, obwohl durch ihn viel Wasser strömt.

Als Schalter arbeitet der Transistor, wenn der Basisstrom entweder null oder so groß ist, dass der Kollektorstrom voll fließt. Mit einem Mikrocontroller, der nur wenige Milliampere liefert, lässt sich so ein Motor oder eine Lampe schalten. Computerchips enthalten Milliarden solcher Schalter, die Nullen und Einsen darstellen.

Als Verstärker nutzt man, dass der Kollektorstrom proportional zum Basisstrom ist. Der Faktor heißt Stromverstärkung B und liegt bei einfachen Transistoren zwischen etwa 100 und 300. Ein schwaches Signal, etwa von einem Mikrofon, steuert dann einen stärkeren Strom, der einen Lautsprecher antreibt.

Der häufigste Fehler beim Aufbau einer Schaltung ist, die LED ohne Vorwiderstand an die Batterie zu klemmen. Ihr Widerstand ist in Durchlassrichtung sehr klein, deshalb fließt ein riesiger Strom, und die LED brennt in Sekunden durch. Das Gleiche gilt für Silicium-Dioden ohne Strombegrenzung.

Der zweite Fehler betrifft die Polung. Eine Diode oder LED leitet nur, wenn Plus an der Anode und Minus an der Kathode liegt. Bei falscher Polung leuchtet die LED nicht, und es fließt nur ein winziger Sperrstrom. Merke dir das Schaltzeichen: Der Strich am Dreieck markiert die Kathode.

Drittens wird oft mit der falschen Spannung gerechnet. Für den Vorwiderstand zählt nicht die Quellenspannung allein, sondern nur die Spannung, die am Widerstand abfällt, also Quellenspannung minus LED-Spannung. Außerdem wird die Stromverstärkung manchmal als Spannungsverstärkung gedeutet. B beschreibt nur das Verhältnis der Ströme.

Dioden und Transistoren stecken in fast jedem Gerät. Das Ladegerät deines Handys wandelt mit Dioden Wechselspannung in Gleichspannung um. Die Hintergrundbeleuchtung vieler Bildschirme besteht aus LEDs, und im Prozessor sitzen Milliarden Transistoren, die als winzige Schalter Rechenoperationen ausführen. Auch Solarzellen sind große Dioden: Licht erzeugt an ihrem pn-Übergang eine Spannung.

In der Klausur werden häufig drei Dinge gefragt: Erkläre die Sperrschicht am pn-Übergang, berechne einen Vorwiderstand und beschreibe die Wirkung des Transistors. Für die Erklärung nennst du, dass Elektronen und Löcher an der Grenze rekombinieren und eine Schicht ohne Ladungsträger entsteht. Bei Durchlasspolung wird sie abgebaut, bei Sperrpolung vergrößert.

Bei Rechenaufgaben zeichnest du zuerst die Schaltung und trägst alle Spannungen ein. Notiere dann, welche Spannung am Widerstand liegt, und rechne Milliampere in Ampere um. Prüfe am Ende, ob dein Widerstandswert plausibel ist: Für eine LED an 5 V liegen die Vorwiderstände typischerweise bei einigen hundert Ohm.