Transistor erklärt - Wie Transistoren funktionieren

Summary

Dieser Video-Script erläutert detailliert, wie Transistoren, eines der wichtigsten elektronischen Bauteile, funktionieren. Es werden zwei Haupttypen, Bipolare und Feldeffekttransistoren, vorgestellt, wobei der Fokus auf Bipolartransistoren liegt. Transistoren dienen als Schalter in Schaltkreisen und können Signale verstärken. Sie bestehen aus drei Pins: Emitter, Basis und Kollektor, und ihre Konfiguration kann variieren. Durch das Bereitstellen einer kleinen Spannung an der Basis steuert man den Stromfluss im Hauptkreis, was das Licht einer Glühbirne zum Leuchten bringen kann. Transistoren nutzen eine geringe Strom- und Spannungsänderung, um größere Ströme und Spannungen zu steuern, was ihre Verstärkerfunktion ermöglicht. Der Script erklärt auch den Unterschied zwischen NPN- und PNP-Transistoren und wie Halbleitermaterialien wie Silizium in Transistoren eingesetzt werden, um die elektrischen Eigenschaften zu steuern. Abschließend wird die Bedeutung der Konventionellen Stromrichtung und der Elektronenfluss für die Entwurfsmethoden von Schaltkreisen betont.

Takeaways

• 📡 **Transistoren sind grundlegende Bauteile**: Sie kommen in vielen Formen und Größen vor und haben zwei Hauptfunktionen - als Schalter für Schaltungen und zur Signalverstärkung.
• 🔌 **Transistor-Typen**: Es gibt zwei Haupttypen, den Bipolaren und den Feldeffekttransistor, wobei der Fokus des Videos hauptsächlich auf Bipolaren liegt.
• 🌡️ **Kühlung von Transistoren**: Kleine Transistoren sind in Kunststoffgehäusen, während leistungsstarke Transistoren Metallgehäuse haben, um die durch Wärme verursachten Schäden zu vermeiden.
• 📦 **Kenndaten der Transistoren**: Jeder Transistor hat eine bestimmte Spannungs- und Strombelastbarkeit, die im Datenblatt des Herstellers angegeben ist.
• 🔩 **Transistor-Anschluss**: Transistoren haben drei Pins: Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C), wobei die Pinbezeichnung je nach Typ variieren kann.
• 💡 **Transistor als Schalter**: Durch das Bereitstellen einer kleinen Spannung an der Basis kann der Transistor den Hauptstromkreis aktivieren und z.B. ein Licht auslösen.
• 🔊 **Signalverstärkung**: Transistoren nutzen eine kleine Spannung und Strom, um einen größeren Strom und Spannung zu steuern, was sie zu nützlichen Verstärkern macht.
• 📈 **Stromgewinn (Beta)**: Der Verhältnis der Kollektorstrom zu Basisstrom ist bekannt als der Stromgewinn (Beta) und kann im Datenblatt nachgelesen werden.
• 🔄 **NPN und PNP Transistoren**: Beide Transistortypen sind ähnlich aussehen, aber ihre Arbeitsweise unterscheidet sich, was die Stromrichtung im Kontrollkreis betrifft.
• 🏗️ **Funktionsweise des Transistors**: Der Transistor funktioniert ähnlich wie ein kleines Ventil, das den Strom im Hauptkreis durch die Bewegung einer kleineren Steuerungsspannung reguliert.
• ⚙️ **Elektronenfluss**: Obwohl der konventionelle Strom von der Plus- zur Minus-Polseite des Batteries fließt, bewegen sich die Elektronen tatsächlich von der Minus- zur Plus-Polseite.
• 🧬 **Halbleitermaterial**: Transistoren basieren auf Halbleitermaterial wie Silizium, das durch Doppen (P- und N-Doping) seine elektrischen Eigenschaften erhält.

Q & A

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein kleiner elektronischer Bauteil mit zwei Hauptfunktionen: Er kann als Schalter für die Steuerung von Schaltkreisen dienen und Signale verstärken.

Welche beiden Haupttypen von Transistoren gibt es?

Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren: den Bipolar-Transistor und den Feldeffekt-Transistor.

Was sind die drei Pins eines Transistors?

Die drei Pins eines Transistors sind der Emitter (E), die Basis (B) und der Kollektor (C).

Wie kann man die Pins eines Transistors identifizieren?

Bei vielen Kunststoffgehäuse-Transistoren ist der linke Pin der Emitter, der mittlere der Basis und der rechte der Kollektor. Aber es ist wichtig, das Herstellerdatenblatt zu überprüfen, da nicht alle Transistoren diese Konfiguration verwenden.

Wie funktioniert ein Transistor als Schalter?

Ein Transistor blockiert den Stromfluss, sodass ein Licht ausgeschaltet ist. Wenn jedoch eine kleine Spannung an den Basispin gegeben wird, lässt der Transistor den Strom im Hauptkreislauf fließen und das Licht geht an.

Wie kann man einen Transistor dazu bringen, den Strom in einem Hauptkreislauf zu steuern?

Indem man eine kleine Spannung an den Basispin des Transistors liefert, lässt er den Strom im Hauptkreislauf fließen. Dies kann durch einen Fernschalter oder einen Sensor automatisiert werden.

Was ist die Bedeutung von Beta (β) in Bezug auf Transistoren?

Beta ist das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom und dem Basisstrom und zeigt die Stromverstärkung eines Transistors an.

Wie unterscheiden sich NPN- und PNP-Transistoren?

NPN- und PNP-Transistoren sind in ihrer Funktion ähnlich, aber ihre Stromrichtung ist umgekehrt. Bei einem NPN-Transistor fließt der Strom vom Emitter zum Kollektor, während er bei einem PNP-Transistor vom Kollektor zum Emitter fließt.

Was ist eine Doping-Methode, die verwendet wird, um die elektrischen Eigenschaften von Silizium zu verändern?

Doping ist der Prozess, bei dem man Silizium mit einem anderen Material versetzt, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern. Dies kann entweder P-Typ-Doping (z.B. mit Aluminium) oder N-Typ-Doping (z.B. mit Phosphor) sein.

Wie entsteht ein PN-Übergang?

Ein PN-Übergang entsteht, indem man ein N-Typ-Material und ein P-Typ-Material aneinanderreiht. An der Verbindungsstelle entsteht eine Abschottungszone, in der Elektronen von der N-Seite die Löcher der P-Seite ausfüllen.

Was ist die Bedeutung der Konventionellen Stromrichtung in elektronischen Schaltkreisen?

Die Konventionelle Stromrichtung ist eine Methode, die angenommen wird, um Schaltkreise zu entwerfen. Sie geht davon aus, dass der Strom von der Plus- zur Minus-Polseite einer Batterie fließt, auch wenn tatsächlich die Elektronen von der Minus- zur Plus-Polseite fließen.

Wie kann man einen Transistor als Verstärker nutzen?

Indem man einen kleinen Signalstrom an den Basispin des Transistors einführt, kann der Transistor diesen Signalstrom verstärken, indem er den Strom im Hauptkreislauf erhöht.

Outlines

00:00

📡 Transistoren: Grundlagen und Funktionsweise

Der erste Absatz behandelt die Definition und Bedeutung von Transistoren als einer der wichtigsten elektronischen Bauteile. Es werden zwei Haupttypen, die Bipolare und die Feldeffekt-Transistoren, vorgestellt, wobei der Fokus auf Bipolartransistoren liegt. Transistoren dienen als Schalter für elektrische Schaltungen und können Signale verstärken. Sie werden in verschiedenen Formen und Größen hergestellt, wobei leistungsstarke Transistoren oft mit Metallgehäusen ausgestattet sind, um Wärme abzuleiten, die ansonsten Schäden an den Komponenten verursachen könnten. Transistoren bestehen aus drei Pins: Emitter, Basis und Kollektor, wobei die Positionen je nach Typ variieren können. Durch eine kleine Spannung an der Basis kann der Transistor den Stromfluss steuern, was die Grundlage für die Verwendung als Schalter und Verstärker bildet. Der Absatz erklärt außerdem, wie man mit Transistoren Signale verstärken kann, was durch die Verwendung eines kleinen Stromes und einer kleinen Spannung einen größeren Strom und eine höhere Spannung steuern kann.

05:02

🔍 NPN und PNP Transistoren: Unterschiede und Anwendungen

Der zweite Absatz konzentriert sich auf die Unterschiede zwischen NPN- und PNP-Transistoren, die äußerlich ähnlich aussehen, jedoch unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben. Bei einem NPN-Transistor sind sowohl der Hauptstromkreis als auch der Steuerstromkreis mit der Plus-Polseite der Batterie verbunden, während bei einem PNP-Transistor der Emitter direkt mit der Plus-Pol der Batterie verbunden ist. Der Absatz veranschaulicht, wie der Strom in beiden Transistortypen fließt und wie die Stromverteilung in den verschiedenen Teilen des Transistors aussieht. Die Transistoren werden in Schaltplänen mit speziellen Symbolen dargestellt, bei denen der Pfeil auf den Emitter zeigt und die Richtung des konventionellen Stroms anzeigt.

10:06

🔬 Transistoren im Detail: Von Atomen bis hin zur Funktion

Der dritte Absatz erklärt, wie Transistoren funktionieren, indem er einen Vergleich mit dem Fluss von Wasser durch eine Rohrleitung zieht, die durch ein Torschließen blockiert ist. Der Absatz deckt die Rolle von Leitern und Isolatoren in Bezug auf den Stromfluss ab und stellt das Modell eines Atoms eines Metallleiters vor. Es wird erläutert, wie Elektronen in den Schalen um das Atom herum angeordnet sind und wie die Valensschale und der Leitungsband die Fähigkeit eines Materials beeinflussen, Strom zu führen. Der Absatz führt auch Halbleiter wie Silizium ein, die durch Doppanz mit anderen Materialien verändert werden können, um die elektrischen Eigenschaften zu steuern. Die Konfiguration von PN-Übergängen und die Herstellung von NPN- und PNP-Transistoren werden ebenso erläutert wie das Covalente Binden und die Schaffung von Löchern bei P-Typ-Doping.

15:07

🔋 Transistoren in Betrieb: Bias und Stromfluss

Der vierte und letzte Absatz beschreibt den Betrieb von Transistoren, einschließlich der Erklärung von Forward- und Reverse Bias sowie der Stromfluss durch die verschiedenen Schichten eines Transistors. Es wird erklärt, wie eine_forward_bias den Barriereeffekt aufhebt und wie die Elektronen durch das P-Typ-Material fließen. Der Absatz behandelt auch die Rolle der Basisspannung beim Öffnen des Transistors und den daraus resultierenden Stromfluss durch den Emitter und den Kollektor. Der Abschluss des Videos fordert das Publikum dazu auf, weitere Videos zur Elektronik zu sehen und auf den sozialen Medien zu folgen, um mehr über das Thema zu erfahren.

Keywords

💡Transistor

Ein Transistor ist ein kleines elektronisches Bauelement, das als Schalter für Schaltkreise dienen kann und Signale verstärken kann. Im Video wird hauptsächlich der Bipolar-Transistor behandelt. Transistoren bestehen aus drei Pins: Emitter, Basis und Kollektor, die für die Steuerung des Stromflusses und die Verstärkung von Signalen verantwortlich sind.

💡Bipolar Transistor

Ein Bipolar-Transistor ist eine Art von Transistor, der im Video als Hauptfokus behandelt wird. Er hat zwei Hauptfunktionen: Er kann als Schalter für Schaltkreise dienen und Signale verstärken. Im Video wird gezeigt, wie ein Bipolar-Transistor als Schalter für ein Licht diente, das durch eine kleine Spannung an der Basis aktiviert wird.

💡Heat Sink

Ein Kühlkörper ist ein Gerät, das verwendet wird, um unerwünschte Wärme von elektronischen Komponenten wie Hochleistungs-Transistoren zu entfernen. Im Video wird erwähnt, dass Transistoren mit Metallgehäuse an einem Kühlkörper montiert werden, um die durch den Strom erzeugte Wärme abzuleiten und Schäden an den Komponenten zu vermeiden.

💡Emitter

Der Emitter ist einer der drei Pins eines Transistors und ist für die Freisetzung von Elektronen verantwortlich. Im Video wird erläutert, dass der Emitter in einem NPN-Transistor stark dopiert ist, um eine große Anzahl an Elektronen zur Verfügung zu haben, die durch den Transistor fließen können.

💡Base

Die Basis ist ein Pin des Transistors, der verwendet wird, um den Transistor zu steuern. Im Video wird gezeigt, dass eine kleine Spannung an der Basis den Transistor aktiviert und den Stromfluss im Hauptkreis ermöglicht. Typischerweise ist die Basisstrom sehr gering, verglichen mit dem Kollektorstrom.

💡Collector

Der Kollektor ist ein Pin des Transistors, der für die Sammlung von Elektronen verantwortlich ist, die durch den Transistor fließen. Im Video wird erklärt, dass der Kollektor in einem NPN-Transistor mittelgradig dopiert ist und Elektronen akkumuliert, die durch den Transistor gezogen werden, wenn ein Strom durch den Kollektor fließt.

💡Current Gain

Der Stromverstärkungsfaktor, symbolisiert durch Beta, ist das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom und der Basisstrom. Im Video wird ein Beispiel gegeben, bei dem der Kollektorstrom 100mA und der Basisstrom 1mA ist, was einen Verstärkungsfaktor von 100 ergibt. Dieser Faktor ist entscheidend für die Verstärkerfunktion des Transistors.

💡PNP Transistor

Ein PNP-Transistor ist eine weitere Art von Bipolar-Transistor, bei dem die Doping-Art der Schichten umgekehrt ist, im Vergleich zum NPN-Transistor. Im Video wird beschrieben, dass bei einem PNP-Transistor der Emitter mit der positiven Seite der Batterie verbunden ist und der Stromfluss anders verläuft, als bei einem NPN-Transistor.

💡NPN Transistor

Ein NPN-Transistor ist eine der beiden Haupttypen von Bipolar-Transistoren, bei dem die Stromflussrichtung von der Basis zum Kollektor ist. Im Video wird erläutert, wie ein NPN-Transistor als Schalter oder Verstärker für elektrische Schaltungen verwendet wird, indem er die Stromflusskontrolle ermöglicht.

💡Semiconductor

Ein Halbleiter ist ein Material, das sowohl als Isolator als auch als Leiter agieren kann. Im Video wird erklärt, dass Halbleiter wie Silizium durch Dopantien verändert werden können, um ihre elektrischen Eigenschaften zu ändern. Diese veränderten Eigenschaften ermöglichen es, Transistoren zu erstellen, die als Schalter und Verstärker für elektrische Schaltungen dienen.

💡Doping

Doping ist der Prozess, bei dem ein Halbleitermaterial mit einem anderen Material angereichert wird, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern. Im Video wird beschrieben, dass durch P-Typ-Doping (z.B. mit Aluminium) Löcher für Elektronen geschaffen werden und durch N-Typ-Doping (z.B. mit Phosphor) zusätzliche Elektronen frei werden, was die Fähigkeit des Materials, Strom zu leiten, erhöht.

Highlights

Transistors sind eine der wichtigsten Geräte, die je erfunden wurden.

Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren: Bipolare und Feldeffekt.

Transistoren dienen als Schalter für die Steuerung von Schaltkreisen und können Signale verstärken.

Hochleistungstransistoren verfügen über einen teilweise metallischen Gehäuse, um die entstehende Wärme abzuleiten.

Transistoren werden an Kühlkörper gemontiert, um unerwünschte Wärme abzuführen.

Transistoren haben drei Pins: Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C).

Ein kleines Signal an der Basis kann den Durchlass von Strom im Hauptkreis auslösen.

Transistoren nutzen einen kleinen Strom zur Steuerung eines größeren Stroms.

Ein kleiner Spannungsänderung an der Basis verursacht eine große Veränderung im Hauptkreis.

Transistoren können als Verstärker für Signale genutzt werden.

Der Stromverhältnis zwischen Basisstrom und Kollektorstrom wird als Stromgewinn (Beta) bezeichnet.

Es gibt zwei Haupttypen von Bipolartransistoren: NPN und PNP.

Transistoren werden in elektronischen Schaltplänen mit bestimmten Symbolen dargestellt.

Das Prinzip der Transistorfunktion kann durch das Bild von Wasser, das durch eine Rohrleitung fließt, veranschaulicht werden.

Elektronen fließen tatsächlich von negativ nach positiv, was durch Joseph Thompson nachgewiesen wurde.

Elektronen können in Metallleitern wie Kupfer frei fließen, nicht jedoch durch Isolatoren wie Gummi.

Halbleiter wie Silizium können als Isolator oder Leiter agieren, je nachdem ob man externe Energie zuführt.

Durch Doppen von Silizium mit anderem Material entstehen P-Typ und N-Typ Materialien, die zur Herstellung von Transistoren verwendet werden.

Innerhalb eines Transistors befindet sich eine PN-Junction, die einen Bereich der Elektronenmangel (Depletion Zone) bildet.

Ein Transistor kann durch Änderungen an der Basisspannung gesteuert und damit als Schalter oder Verstärker für Signale dienen.

Transcripts

This is a transistor

It is one of the most important devices ever

to be invented.

So, we're going to learn how they work in detail in this video.

What is a transistor?

Transistors come in many shapes and sizes.

There are two main types, the bipolar and the field effect.

We're going to mostly focus on the bipolar version in this video.

Transistors are small electronic components with two main functions.

It can act as a switch to control circuits

and they can also amplify signals.

Small low power transistors are enclosed

in a racing case to help protect the internal parts.

But higher power transistors will have a partly metal case, which is used to help

remove the heat which is generated as this will damage the components over time.

We usually find these metal body transistors

attached to a heat sink, which helps remove the unwanted heat.

For example, inside this DC Bench power supply

We have some mosfet transistors which are attached to very large heat sinks.

Without the heat sink

the components quickly reach 45 degrees Celsius or 113 degrees Fahrenheit.

With a current of just 1.2A.

They will become much hotter as the current increases.

But for electronic circuits with small currents, we can just use these resin body transistors

which do not require a heat sink.

On the body of the transistor.

We find some text.

This will tell us the part number which we

can use to find the manufacturers datasheet.

Each transistor is rated to handle

a certain voltage and current, so it is important to check these sheets.

Now with the transistor we have three pins labelled E, B and C.

This stands for the emitter, the base and the collector.

Typically with these resin body type TRANSISTORS

with a flat edge,

the left pane is the emitter,

the middle is the base, and the right side is the collector.

However, not all transistors use this configuration.

So do check the manufacturers datasheet.

We know that if we connect a light bulb to a battery, it will illuminate.

We can install a switch into the circuit

and control the light by interrupting the power supply.

But this requires a human to manually control the switch.

So how can we automate this?

For that, we use a transistor.

This transistor is blocking the flow of current.

So the light is off.

But if we provide a small voltage to the base pane in the middle,

it causes the transistor to start allowing current to flow in the main circuit.

So the light turns on.

We can then place a switch on the controlling pin to operate it remotely

or we can place a sensor on this to automate the control.

Typically, we need to apply at least 0.6V

to 0.7 volts to the base pin for the transistor to turn on.

For example, this simple transistor circuit

has a red LED and a nine volt power supply across the main circuit.

The base pin is connected to the DC Bench power supply

The circuit diagram looks like this.

When the supply voltage to the base pin is

0.5V the transistor is off.

So the LED is also off

at 0.6V the transistor is on, but not fully.

The LED is dim because the transistor is not yet letting the full current flow

through the main circuit.

Then at 0.7V the lead is brighter because the transistor is letting almost the full current through.

At 0.8V, the LED is at full brightness.

The transistor is fully open.

So what's happening is we're using a small

voltage and current to control a larger voltage and current.

We saw that a small change to the voltage on the base pin

causes a large change on the main circuit.

Therefore, if we input a signal to the base pin,

the transistor acts as an amplifier.

We could connect a microphone which varies

the voltage signal on the base pin, and this will amplify a speaker in the main circuit

to form a very basic amplifier.

Typically, there is a very small current on the base pin,

perhaps just 1mA or even less.

The collector has a much higher current, for example, 100mA.

The ratio between these two is known as the current gain and uses the symbol beta

We can find the ratio in the manufacturers datasheet.

In this example, the collector current is 100mA

and the base current is 1mA.

So the ratio is 100mA divided by 1mA, which gives us 100.

We can also rearranges formula to find the currents also.

NPN and PNP transistors

We have two main types of bipolar transistors,

the NPN and the PNP type, the two transistors look nearly identical.

So we need to check the part number to tell which is which.

With an NPN transistor.

We have the main circuit and the control circuit.

Both are connected to the positive of the battery.

The main circuit is off until we press the switch on the control circuit.

We can see the current is flowing through both wires to the transistor.

We can remove the main circuit and the control circuit lED

will still turn on when the switch is pressed

as the current is returning to the battery through the transistor.

In this simplified example,

when this switch is pressed, there are 5mA flowing into the base pin.

There are 20mA flowing into the collector pin

and 25mA flowing out of the emitter.

The current therefore combines in this transistor

With a PNP transistor.

We again have the main circuit and the control circuit,

but now the emitter is connected to the positive of the battery.

The main circuit is off until we press the switch on the control circuit.

We can see with this type that some of the current flows out of the base pin and returns to the battery.

The rest of the current flows through

the transistor and through the main led and then back to the battery.

If we remove the main circuit, the control circuit, LED will still turn on.

In this example, when the switch is pressed,

there are 25mA flowing into the emitter,

20mA flowing out of the collector and 5mA flowing out of the base.

The current, therefore, divides in this transistor

I'll place these side by side so you can see how they compare.

Transistors are shown on electrical drawings

with symbols like these, the arrow is placed on the emitter.

The arrow points in the direction

of conventional current so that we know how to connect them into our circuits.

How does a transistor work

To understand how a transistor works,

I want you to first imagine water flowing through a pipe.

It flows freely through the pipe until we block it with a disc.

Now, if we connect a smaller pipe into the main one and place a swing gate

within this small pipe, we can move the disc using a pulley.

The further the swing gate opens,

the more water is allowed to flow in the main pipe.

The swing gate is a little heavy,

so a small amount of water won't be enough to open it.

A certain amount of water is required to force the gate to open.

The more water we have flowing in this small pipe,

the further the valve opens and allows

more and more water to flow in the main pipe.

This is essentially how an NPN transistor works.

You might already know that when we design electronic circuits,

we use conventional current.

So in this NPN transistor circuit,

we assume that the current is flowing from the batteries positive

into both the collector and the base pin and then out of the emitter pin.

We always use this direction to design our circuits.

However, that's not what's actually occurring.

In reality, the electrons are flowing

from the negative to the positive of the battery.

This was proved by Joseph Thompson, who carried out some experiments

to discover the electron and also prove they flowed in the opposite direction.

So in reality,

electrons flow from the negative into the emitter and then out

of the collector and the base pin. We call this electron flow.

I'll place the side by side so you can see the difference in the two theories.

Remember, we always design circuits using the conventional current method.

But scientists and engineers know that electron flow is how it actually works

by the way, we have also covered how

a battery works in detail in our previous video.

Do you check that out

links can be found in the video description down below.

OK, so we know that electricity is the flow of electrons through a wire.

The copper wire is the conductor and the rubber is the insulator.

Electrons can flow easily through

the copper, but they can't flow through the rubber insulator.

If we look at this basic model of an atom

of a metal conductor, we have the nucleus at the centre and this

is surrounded by a number of orbital shells which hold the electrons.

Each shell holds a maximum number

of electrons, and an electron needs to have a certain

amount of energy to be accepted into each shell.

The electrons located furthest away from the nucleus hold the most energy.

The outermost shell is known as the valence shell.

A conductor has between one and three electrons in its valence shell.

The electrons are held in place by the nucleus,

but there is another shell known as the conduction band.

If an electron can reach this, then it can break free from the atom

and move to other atoms. With a metal atom such as copper.

The valence shell and the conduction band overlap,

so it's very easy for the electrons to move

with an insulator the outermost shell is packed.

There's very little to no room for an electron to join.

The nucleus has a tight grip

on the electrons and the conduction band is far away.

So the electrons can't reach this to escape.

Therefore, electricity cannot flow through this material.

However, there's another material known as a semiconductor.

Silicon is an example of a semiconductor.

With this material,

there's one too many electrons in the valence shell for it to be a conductor.

So it acts as an insulator.

But as the conduction band is quite close,

if we provide some external energy, some electrons will gain enough energy

to make the jump into the conduction band and become free.

Therefore, this material can act as both an insulator and a conductor.

Pure silicon has almost no free electrons.

So what engineers do is dope the silicon

with a small amount of another material which changes its electrical properties.

We call this P type and N type doping.

We combine these materials to form the PN junction.

We can sandwich these together to form an NPN or PNP transistor.

Inside the transistor we have

the collector pin and the emitter pin

between these in an NPN transistor,

we have two layers of N type material and one layer of P type.

The base wire is connected to the P type layer

in a PNP transistor this is just configured the opposite way.

The entire thing is enclosed in a resin to protect the internal materials.

Let's imagine the silicon hasn't been doped yet,

so it's just pure silicon inside.

Each silicon atom is surrounded by four other silicon atoms.

Each atom wants eight electrons in its valence shell

but the silicon atoms only have four electrons in their valence shell,

so they sneakily share an electron

with their neighbouring atom to get the 8 desire.

This is known as covalent bonding.

When we add the N type material such as phosphorus,

it will take the position of some of the silicon atoms.

The phosphorus atoms have five electrons in their valence shell.

So as the silicon atoms are sharing electrons to get their desired eight,

they don't need this extra one, which means there's now extra electrons

in the material and these are free to move around

with P type doping we add in a material such as aluminium.

This atom has only three electrons in this valence shell.

It therefore can't provide its four neighbours with an electron to share.

So one of them will have to go without.

This means a hole has been created where an electron can sit and occupy.

We now have two doped pieces of silicon,

one with too many electrons and one we not enough electrons.

The two materials join to form a PN junction.

At this junction we get what's known as a depletion region

in this region some of the excess electrons

from the N side will move over to occupy the holes in the P side.

This migration will form a barrier

with a build up of electrons and holes on opposite sides.

The electrons are negatively charged and the holes are therefore considered positively charged,

so this Build-Up causes a slightly negatively charged region

and a slightly positively charged region.

This creates an electric field

and prevents more electrons from moving across.

The potential difference across this region is typically around 0.7V

when we connect a voltage source across the two ends

with the positive connected to the P type material.

This will create a forward bias and the electrons will begin to flow.

The voltage source has to be greater than the 0.7V barrier.

Otherwise, electrons cannot make the jump

when we reverse the power supply so that the positive is connected to the N type material.

The electrons held in the barrier will be pulled back towards the positive terminal

and the holes will be pulled back towards the negative terminal.

This has caused a reverse bias

in a NPN transistor.

We have two layers of N type material, so we have two junctions and therefore two barriers,

so no current can flow through it ordinarily.

The emitter N type material is heavily doped,

so there are a lot of excess electrons here.

The base P type is lightly doped, so there are a few holes here.

The collector N type is moderately doped,

so there are a few excess electrons here.

If we connect a battery across the base and the emitter with the positive

connected to the P type layer,

this will create a forward bias.

The forward bias causes the barrier to collapse

as long as the voltage is at least 0.7V.

So the barrier diminishes

and the electrons rush across to fill the space within the P type material.

Some of these electrons will occupy a hole

and they will be pulled towards the positive terminal of the battery.

The P type layer is thin

and was lightly doped on purpose so that there is a low chance of electrons falling into a hole.

The rest will remain free to move around the material.

Therefore, only a small current will flow

out of the base pin, leaving an excess of electrons in the pitot material

if we then connect another battery between the emitter and the collector

with the positive connected to the collector,

the negatively charged electrons within the collector

will be drawn to the positive terminal, which causes a reverse bias.

If you remember, with the reverse bias, the electrons and holes of the barrier are

pulled back across, so the electrons on the P type side

of the barrier are pulled across to the N type side

and the holes on the N type side are pulled back to the P type side.

They are already an excess number of electrons in the P type material.

So they will move to occupy these holes and some of them will be pulled across

because the voltage of this battery is greater.

So the attraction is much higher.

As these electrons are pulled across, they flow into the battery.

So a current develops across the reverse bias junction.

A higher voltage on the base pin fully opens the transistor,

which means more current and more electrons moving into the P type layer.

Therefore, more electrons are pulled across the reverse bias.

We also see more electrons flowing

in the emitter side of the transistor compared to the collector side.

OK, that's it for this video,

but to continue learning about electronics engineering, click on one of the videos

on screen now and I'll catch you there for the next lesson.

Don't forget to follow us on Facebook,

Twitter, LinkedIn, Instagram and of course, the engineering mindset .Com.