Physik der Bauelemente

Wer sich fragt - Warum leuchten Leuchtdioden, die "normale Diode" jedoch nicht? Warum ist der Halbleiter ein Halbleiter und wieso wird in der Elektronik gerne mit Komplexen Zahlen gerechnet?? ... der mag auf diesen Seiten in naher Zukunft die eine oder andere Antwort finden. Viel Spass beim Blättern!

Leiter und Halbleiter

In einem elektrischen Leiter finden wir eine besondere Art der Bindung. Die Potentiale der einzelnen Atome liegen derart dicht zusammen, daß die höheren Energieniveaus der Atome nicht durch Potentialwälle auf die einzelnen Atome beschränkt werden. Sie liegen gleichermaßen verteilt in allen Atomen des Metallverbandes. Nun gehorchen Elektronen einer speziellen Statistik, die ihnen verbieten in einem GesamtSystem die gleichen Quantenzahlen anzunehmen. Dieser Effekt führt letztlich zu einer Aufweitung der überlagerten Elektronen - Niveaus aus den einzelnen Atomen. Ein sog. Leitungsband entsteht.

Da ich auf diesen Seiten insbesondere die Physik der Bauelemente beleuchten möchte, seien die beiden wichtigsten Kenngrößen erinnert, die in jeder Schaltung gemessen werden können: Spannung U und Stromstärke I. Die Spannung U ist nur die Voraussetzung dafür daß Strom fließen kann. Man kann dies mit einem angehobenen Eimer Wasser vergleichen, auf dessen Inhalt die Schwehrkraft wirkt. Erst wenn der Eimer gekippt wird oder eine Öffnung in den Boden des Eimers gebohrt wird, fließt tatsächlich Wasser. Im Stromkreis fügen wir an Stelle dessen einen leitenden Widerstand ein. Die Elektronen können dann dem Spannungsabfall folgen. Die meßbare Kenngröße ist die Stromstärke I.

Wie viel Wasser aus unserem Eimer fließt, ist abhängig davon, wie stark wir den Eimer kippen oder wie groß wir das Loch in den Boden gebohrt haben. Im Schaltkreis stellt sich die Frage nach der Leitfähigkeit unseres Widerstandes. Tragen wir nun für einen speziellen Widerstand die Stormstärke gegenüber der angelegten Spannung auf, so erhalten wir eine Gerade. Bei doppelter Spannung, wird auch doppelt so viel Strom fließen. Dies ist die Kennlinie eines normalen, ohmschen Widerstandes. Verwenden wir nun einen anderen Widerstand mit höherer Leitfähigkeit, so wird diese Gerade steiler sein - es fließt bei gleicher anliegender Spannung mehr Strom.

Dioden und Transistoren

Bei Dioden und Transistoren sehen diese Kennlinien anders aus. Bevor diese gleich beschrieben werden, ein zwei Worte zur Einsatz- und funktionsweise: Bis auf wenige Ausnahmefälle lassen Dioden Ladungsträger und damit Strom nur in einer Richtung passieren. Daher muß die Spannung immer in der richtigen Richtung angelegt sein. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Dioden u.a. dazu benutzt Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln (Brückengleichrichter).

Um Dioden in Schaltungen vernünftig einzusetzen, ist es auch hier wichtig zu wissen, bei welcher angelegten Spannung wieviel Strom fließt, d.h. ihre Kennlinie zu kennen. In der Praxis kann man oftmals so tun, als ob sich diese wie beim ohmschen Widerstand um eine Gerade handelt, welche allerdings nicht bei 0 V, sondern erst bei etwa 0,7 V (Schwellenspannung) beginnt. Obgleich diese Beschreibungsweise oftmals ausreichend ist, ist dies nicht vollständig zutreffend. Vielmehr entspricht die Kennlinie einer Potenzfunktion. Das Zustandekommen dieser Kennlinie möchte ich demnächst an dieser Stelle näher erklären.

Transistoren sind technisch mit den Dioden verwandt, ihre Funktions- und Wirkungsweise ist jedoch ein wenig komplizierter. Sie besitzen drei statt zwei Anschlußpole. An den beiden äußeren wird wie üblich Spannung angelegt. Ob nun Strom fließt oder nicht, ist abhängig vom mittleren Pol. Nur wenn an ihm Spannung angelegt ist, wird auch zwischen den beiden äußeren Strom fließen. Obwohl diese Spannung unter Umständen sehr klein sein kann, wird der fließende Strom dennoch sehr groß sein, sofern nur die an den äußeren Polen anliegende Spannung ausreichend groß ist. So kann man mit geringen Veränderungen der, an der Mitte anliegenden (sog. Basis-) Spannung große Veränderungen in der Gesamt - Stromstärke erreichen. Man spricht von einer Verstärkenden Wirkung.

Von Kondensatoren und Spulen - Wie Schwingungen und Wellen die Zeit angeben

Ein Kondensator besteht im Wesentlichen aus zwei gegenüberliegenden aber elektrisch getrennten Leiterplatten (oder -folien). Durch den Ladungsüberschuß in einer Platte induziert man die gegensätzliche Ladung in der anderen. Trennt man die anliegende Spannung vom Bauteil, bleibt dieser Zustand erhalten. So kann man mit einem Kondensator Ladung speichern.

Die Möglichkeit des Kondensators Ladung zu speichern ist jedoch begrenzt (Kapazität C). So kommt es, daß ein Kondensator in Gleichspannung betrieben, nur ganz am Anfang des Aufladeprozesses Ladungsträger aufnimmt, dann jedoch sperrt (Der Widerstand des Kondensators geht gegen Unendlich). In Wechselspannung betrieben, findet jedoch ein ständiger Auflade- und Entladeprozess statt. Es fließt dauerhaft Strom. Ist die Frequenz der anliegenden Wechselspannung hoch, so fließt besonders viel Strom, der Widerstand des Kondensators wird gering. Eine Spule, auch Induktivität genannt, zeigt das gegenteilige Verhalten. Hier bewirkt die Änderung! des Stromes ein Magnetfeld. Ist die Frequenz der Wechselspanung hoch, so fließt weniger Strom, der "Widerstand" der Spule wird groß

Im Zusammenspiel zwischen Kondensator und Spule kommt es zu dann zu einer überraschenden Wechselwirkung. Gehen wir von einem geladenen Kondensator aus, der an einer Spule angeschlossen ist, so wird sich dieser über die Spule entladen. Dabei baut sich ein Magnetfeld auf, in welchem die Elektrische Energie gespeichert ist. Der Strom wird weiter fließen und den Kondensator in umgekehrter Richtung aufladen. Wenn der Kondensator wieder geladen ist, beginnt das Spiel von Vorne. Die Frequenz mit der sich der Schwingkreis umlädt ist dabei abhängig von der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule.

Literatur

G. Koß, W. Reinhold, Lehr und Übungsbuch Elektronik