Der Transistor

Eine Weiterentwicklung des alten Kristalldetektors führte schließlich zur Spitzendiode. Diese war wesentlich kompakter und stabiler aufgebaut als der recht störungsanfällige und unzuverlässige Detektor.-Statt dem großen Eisen- oder Kupfersulfidkristall verwendete man ein winziges Germaniumplättchen hoher Reinheit, welches fest auf einer kleinen Trägerscheibe aufgebracht war und auf dessen Oberfläche man die haarfeine Spitze eines Drahtes fixierte.-Die ganze Anordnung befand sich in einem kleinen Glasröhrchen von ca. 1cm Länge und 4mm Durchmesser, und war an den Röhrchenenden mit den beiden, nach aussen führenden Anschlussdrähten fest eingeschmolzen. Nachfolgende Grafik zeigt einen Kristalldetektor und eine Spitzendiode im Vergleich.

Kristalldetektor	Spitzendiode

Dabei beruht das Prinzip in beiden Fällen auf der Tatsache, dass sich exact an der Berührungsstelle zwischen Kristalloberfläche und Fremdmetallspitze ein winziger Elektronenüber- oder Unterschuß ausbildet, der ein gewisses Areal des Kristalls um die Nadelspitze herum positiv oder negativ polarisiert. Dieses Grenzflächenphänomen (Spitzendefekt) reicht aus, um kleinere Wechselströme (Zum Beispiel Hochfrequenz aus einer Empfangsantenne) gleichzurichten und so als Demodulator zu fungieren.

Freie Ladungen als Folge von Kristallgitterfehlern durch Spitzendefekte

Analog dazu ist auch der Spitzentransistor aufgebaut, der in der Anfangszeit der Halbleiterindustrie gewissermassen Pionierstatus hatte.Die ersten Transistoren ähnelten in ihrem prinzipiellen Aufbau daher auch weitgehend den Spitzendioden. In einem kleinen Metall oder Glasröhrchen befand sich ebenfalls wieder ein Trägerteil mit einem dünnen, hochreinen Germaniumplättchen. Zwei haarfeine Bronzefederchen drückten ihre noch feineren Spitzen in einem Abstand von ca. o.o2 mm in den Kristall und sorgten so für zwei ineinander übergehende Spitzendefekte. Den Anschluss am Kristallträger nannte man BASIS, die eine Spitze EMITTER und die andere Spitze KOLLEKTOR.

Spitzentransistor

Der Trick war nun, dass sich einerseits eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit in einer bestimmten Stromflussrichtung zwischen den beiden Spitzen einstellte (Diodengleichrichtung), andererseits diese Leitfähigkeit in großen Dekaden gesteuert werden konnte, indem man an den Träger (Basis) eine Gleich- oder Wechselspannung anlegte.-Die Schicht mit den freien Ladungsträgern ändert nämlich je nach Polarität und Höhe der angelegten Basisspannung durch Beeinflussung der freien Ladungsträger aus den Spitzendefekten seine Breite, und damit Sperr- und Durchlasseigenschaften ganz erheblich, so dass eine Art steuerbare Diode, ähnlich der schon bekannten Röhrentriode entsteht. Während aber die Steuerung der Triode fast keine Leistung erfordert (Hochohmige Eingangsimpedanz), benötigt der Basiskreis des Transistors eine gewisse Stromstärke zur Steuerung des Kollektor-Emitterkreises.-Dies hängt mit dem niedrigeren Eingangswiderstand zusammen, den der Halbleiterkristall gegenüber der fast luftleeren Triode aufweist. Allerdings gibt es heute eine ganze Reihe von Spezialtransistoren und integrierten Schaltkreisen ( sog. MOSFet und Feldeffekttransistoren), die diesen Nachteil nicht aufweisen und sogar noch hochohmigere Eingänge aufweisen als eine herkömmliche Elektronenröhre.In der nachfolgenden Grafik führt die negative Spannung an der Basis zu einem extremen Überschuss an Elektronen im Grenzbereich zwischen den beiden Spitzen und dem Germaniumkristall.-Der elektrische Widerstand sinkt und es fließt ein starker Strom zwischen Kollektor und Emitter

Heutige Kristalldioden und Transistoren arbeiten allerdings schon lange nicht mehr mit Drahtspitzen und hochreinen Germaniumplättchen. Nach Entdeckung moderner Dotierungsverfahren ging man dazu über, die gesamte Diode nur noch aus einem einzigen Silizium -oder Germaniumkristallstäbchen zu fertigen, an dessen beiden Enden direkt die Anschlußdrähte angebracht sind. Die Drahtspitze aus einem Fremdmetall wurde überflüssig, da das Kristallgitter in seinem inneren Aufbau nicht mehr länger homogen ist, sondern die eine Hälfte gezielt mit einzelnen Indium- oder Aluminiumatomen und die andere Hälfte mit Arsenatomen angereichert wurde.Dadurch wird der Kristall in seinen elektrischen Eigenschaften zweigeteilt.- Genauere Erklärungen dieser Phänomene liefert das sogenannte Bändermodell. Es bildet sich eine große Grenzfläche zwischen den zwei polarisierten Kristallhälften aus: Aluminiumatome führen zum Beispiel im ansonsten neutralen Kristallgitter zu einem ständigen Elektronenüberschuss, wohingegen die Arsenatome selbst Elektronen des Kristalls für sich beanspruchen und so zu Elektronenmangel, also gewissermassen positiven Ladungen (Löchern) führen. Die Verhältnisse sind also ganz ähnlich wie in einer Elektronenröhre nach Anlegen einer Anodenspannung und des Heizstromes.

Daher bezeichnet man die positive Seite der Diode auch analog als ANODE und die negative Seite als KATHODE. Baut man diese Diode in einen Stromkreis ein, stellt man fest, dass der Strom nur in einer bestimmten Richtung fließen kann (Durchlassrichtung) und die Diode in umgekehrter Stellung den Stromfluss sperrt (Sperrrichtung).-Sie wirkt also als Gleichrichter. Während bei der Spitzendiode die Elektronendefizite lokal begrenzt um die winzige Spitze eines Fremdmetalldrähtchens herum erzeugt wurden, erfolgt dies hier mit einem sehr viel größeren Flächenquerschnitt. Moderne Gleichrichterdioden können daher auch wesentlich höhere Ströme und Spannungen ohne Beschädigung verarbeiten als Spitzendioden.Das gleiche gilt für den Flächenaufbau von Transistoren, wobei je nach der verwendeten Dotierung von PNP -.oder NPN -Transistoren die Rede ist. Man nennt diese Bauteile daher auch Planardioden bzw. Planartransistoren.

Die nächste Grafik zeigt den Aufbau einer modernen Siliziumdiode. Zwischen zwei Trägern aus Kupfer ist eine p-n dotierte Kristallscheibe eingepresst. Das Gehäuse bildet ein Glas- oder Plastikzylinder. Manche Hochleistungsdioden besitzen wie die Transistoren zur besseren Kühlung Spezialgehäuse aus Metall mit Schraubgewinden zum Befestigen an einem Kühlkörper.

Moderne Si- Planardioden und Ge-Spitzendiode(3.von links)

Hochleistungsdioden

Planardiode

Den mechanische Aufbau eines einfachen Transistors kann man der folgenden Grafik entnehmen.-Diese Gehäuseformen ist nur einige von vielen verschiedenen Ausführungen, welche jeweils einem speziellen Zweck (z.B. Kühlung bei Leistungstransistoren) angepasst sind.

Verschiedene Planartransistoren und Leistungstransistoren (oben)

Planartransistor und seine Schaltsymbole