9.1 Die BE-Diode in Durchlassrichtung

von Andreas Thaler

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Burkhard Kainka:

Dioden sind Halbleiter-Bauelemente, die den Strom nur in einer Richtung leiten. Das gilt für LEDs genauso wie für Silizium-Dioden und Transistoren. Die Untersuchung der internen Dioden in einem Transistor dient zur einfachen Funktionskontrolle und zeigt besondere Einsatzmöglichkeiten des Transistors.

Eine Diode besteht aus zwei Halbleiter-Schichten mit N-leitendem und P-leitendem Material. Im N-Leiter bewegen sich freie Elektronen, im P-Leiter dagegen Defektelektronen (Elektronen-Löcher). An der Berührungsfläche zwischen beiden Schichten bildet sich eine nichtleitende Sperrschicht geringer Dicke. Freie Elektronen füllen in diesem Bereich Löcher, sodass keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind. Die Diode ist damit zunächst ein Nichtleiter.

 

 

Legt man an die äußeren Kontakte der Si-Diode eine kleine Spannung, dann vergrößert oder verkleinert sich die Sperrschicht. Zunächst sollen der N-Anschluss mit dem Minuspol und der P-Anschluss mit dem Pluspol verbunden werden. Die Ladungen an den Anschlüssen stoßen dann ihre jeweiligen Ladungsträger im Kristall ab, sodass sie in Richtung der Sperrschicht gedrückt werden. Ab einer Spannung von ca. 0,5 V beginnen sich in einer Siliziumdiode die N- und die P-Schicht zu berühren, die Sperrschicht hebt sich auf. Damit fließt nun auch ein Strom. Bei ca. 0,7 V ist eine gute Leitfähigkeit erreicht. Die Diode wird nun in Durchlassrichtung betrieben.

Polt man die Spannung um, tritt der gegenteilige Effekt auf: Ladungsträger werden zu den äußeren Anschlüssen hingezogen, sodass sich die Sperrschicht vergrößert. Die isolierende Wirkung der Sperrschicht wird also besser. Man kann die Diode als ein elektrisches Ventil auffassen, da sie den Strom nur in einer Richtung passieren lässt. Das gilt in gleicher Weise für eine Leuchtdiode. Das andere Hableitermaterial in der LED führt zu einer höheren Durchlassspannung als bei einer Si-Diode. Beim Rekombinieren von Elektronen und Löchern wird Licht abgegeben.

Der innere Aufbau eines Si-Transistors ist durch drei Schichten aus N- und P- Silizium gekennzeichnet. An den Grenzflächen bilden sich Sperrschichten wie in einer Diode. In einem Transistor befinden sich praktisch zwei Dioden, die man auch als solche verwenden kann. Das ermöglicht besondere Schaltungsvarianten und auch einen einfachen Transistortest.

 

 

Die Verstärkung eines Transistors tritt auf, wenn eine genügend große Basisspannung angelegt wird. Die untere Sperrschicht wird dann leitend, sodass N-Ladungsträger (Elektronen) in die Basiszone gelangen. Sie werden aber von der positiv geladenen Kollektorschicht angezogen, sodass die meisten Elektronen zum Kollektor abfließen und nur ein kleiner Teil zur Basis.

Die internen Dioden eines Transistors lassen sich mit einfachen Prüfschaltungen mit LED und Vorwiderstand ausmessen. Die LED zeigt an, wann Strom fließt. Im ersten Versuch wird die BE-Diode des rechten Transistors in Durchlassrichtung betrieben. Der Kollektor bleibt frei.


Messung 

Eine Spannungsmessung zwischen den jeweils verwendeten beiden  Anschlüssen des Transistors zeigt etwa bei 0,6 V bis 0,7 V, wenn die entsprechende Diode gerade leitet. Die „Durchlassspannung“ ist also wesentlich kleiner als bei einer LED. Die Spannung hängt vom verwendeten Halbleiter ab. Bei Silizium findet man für kleinere Ströme etwa 0,6 V. In einem großen Bereich unterschiedlicher Ströme ändert sich die Spannung nur zwischen etwa 0, 5 V und 0,7 V.

 

Schaltungssimulation mit EveryCircuit

 

 

Kommentar B.K: Die Spannung von 20,9 mV am Kollektor fand ich bemerkenswert. Gleich mal nachgemessen: Ich finde im realen Aufbau  etwa +8 mV am Kollektor. Warum sollte da überhaupt eine Spannung liegen? Bekannt war mir schon, dass sich der Transistor in diesem Zustand wie ein Widerstand zwischen E und C verhält, den man sogar für kleine Wechselströme nutzen kann. Gemessen habe ich in einer Richtung ca. 5 Ohm, in der anderen Richtung fast 0 Ohm. Das bedeutet für die Messung der Spannung, dass der Kollektor intern praktisch direkt mit dem Emitter verbunden ist. Aber für beide wirkt noch der innere Bahnwiderstand als eine Art Übergangswiderstand zwischen dem inneren Transistor und dem Emitteranschluss. Die gemessene Spannung ist dann vermutlich der Spannnungsabfall an diesem Bahnwiderstand, verursacht durch den Strom von 2,89 mA. Der Bahnwiderstand wäre dann 2,8 Ohm am gemessenen Transistor, während die Simulation von 7,2 Ohm ausgegangen ist.