Versuch: "Diode, Transistor, Thyristor"

Diode, Transistor, Thyristor
Diode, Transistor, Thyristor
In diesem Versuch sollen 3 Halbleiter-Bauelemente in ihrer Wirkungsweise und ihren wichtigsten
Anwendungen untersucht werden, die jeweils der Grundtyp einer Klasse von Bauelementen
sind. Die Diode ist ein Zweischicht-Halbleiter und dient zur Gleichrichtung von
Wechselsignalen (z.B. Leistungsgleichrichter in der Starkstromtechnik oder Empfänger von
Signalen in der Nachrichtentechnik). Der Transistor weist 3 Schichten auf und dient hauptsächlich
zur Verstärkung (von Gleichstrom bis zu Wechselströmen von 10 Hz), aber auch
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als Schalter oder Generator. Der Thyristor schließlich ist ein Vierschicht-Element, das als
Schalter für Signale hoher Leistung vielseitige Verwendung findet (z.B. in Reglern wie der
Thyristor-Zündung beim Otto-Motor). Die Funktion aller 3 Bauelemente beruht auf dem Mechanismus
der Stromleitung in den sogenannten "Halbleitern".
1. Metall, Halbleiter, Isolator
Die Festkörper teilt man hinsichtlich der Stromleitung in diese 3 Gruppen ein. Wesentliches
Merkmal ist die spezifische Leitfähigkeit σ , die bei Isolierstoffen extrem niedrig ist (z.B.
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2
10 − 18
2
Sm / mm bei Bernstein oder 10 − Sm / mm bei Mineralöl), während sie bei Metallen
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um viele Größenordnungen höher liegt (z.B. bei Kupfer mit 56 Sm / mm ). Dazwischen liegen
die als Halbleiter bezeichneten Materialien, deren Leitfähigkeit durch unten noch besprochene
Maßnahmen über mehrere Größenordnungen gezielt eingestellt werden kann. Dabei
kennt man Element-Halbleiter wie Germanium oder Silizium und Verbindungs-Halbleiter wie
Gallium-Arsenid.
1.1 Metallische Stromleitung
Etwa ein Elektron je Atom nimmt am Leitungsvorgang (= Ladungstransport) teil. Dabei gibt
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es etwa 10 Atome je cm 3 . Die Elektronen bewegen sich frei und ungeordnet ("Wimmelbewegung",
sogenanntes "Elektronengas") zwischen den unbeweglichen Atomrümpfen des Kristallgitters.
Legt man ein elektrisches Feld durch eine Potentialdifferenz an, so bildet sich eine
Vorzugsrichtung heraus: Es fließt ein Elektronenstrom.
1.2 Eigenleitung in Isolatoren und Halbleitern
Bei Isolatoren sind fast alle Elektronen an "ihr" Atom gebunden, d.h. ortsfest. Dieser Zustand
ist über weite Bereiche von Einflussgrößen wie Temperatur oder elektrisches Feld nicht zu
verändern. Die Leitfähigkeit ist praktisch Null.
Der Unterschied zu Halbleitern ist nicht prinzipieller sondern nur gradueller Natur. Bei sehr
tiefen Temperaturen ist auch deren Leitfähigkeit sehr gering. Sie nimmt aber mit der Temperatur
stark zu. Den Transportvorgang kann man sich am Beispiel der Element-Halbleiter Ge
oder Si folgendermaßen veranschaulichen:
Beide Elemente besitzen 4 Valenzelektronen: sie sind vierwertig. Sie kristallisieren im Diamantgitter,
bei dem jedes Atom über jeweils eine "Brücke" aus 2 Elektronen an 4 Nachbaratome
gebunden ist. Das ist schematisch in der Ebene in Bild 1 dargestellt. Die Bindung ist
vollständig beim absoluten Temperaturnullpunkt (Bild 1), der Halbleiter ist ein idealer Isolator.
Durch Erwärmung (Energiezufuhr) werden zunehmend mehr Elektronen aus den Bindun-
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