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Den Quellcode und alle Dateien rund um dieses Java-Programm findet ihr in der Rubrik Download.
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Versuchsanleitung:

Versuch 1:

Lasst alle Einstellungen unverändert und klickt auf die Schaltfläche "Start".

Erläuterung:

In einem bipolaren Transistor befinden sich zwei P/N-Übergänge. Ohne angelegte Spannung diffundieren die beweglichen Ladungsträger im Kristall umher. Treffen dabei ein überzähliges Elektron und ein Loch aufeinander, rekombinieren diese und aus den benachbarten Ionen entstehen zwei neutrale Siliziumatome. Durch diesen Prozess werden dem Kristall bewegliche Ladungsträger entzogen und zurück bleiben unbewegliche Ionen der Fremdatome (siehe Simulation einer Diode). Die beiden mittleren Zonen der P-dotierten Schicht werden zunehmend negativ geladen, die Zonen der beiden N-dotierten Schichten hingegen positiv. Das dadurch erzeugte elektrische Feld verhindert das weitere Abwandern von Löchern aus der mittleren Schicht, beziehungsweise das Einwandern in diese Schicht. Bis sich das Gleichgewicht ausgebildet hat, vergehen einige Minuten.
Stoppt die Simulation und beobachtet die Ladungsverteilung.

Versuch 2:

Stellt die Kollektorspannung auf 50% und lasst die Simulation weiterlaufen.

Erläuterung:

Die angelegte Gleichspannung wird simuliert, indem am Minuspol (links) so lange Elektronen injiziert werden, bis die angrenzende Zone 5-fach negativ geladen ist. Entsprechend werden dem Kristall am Pluspol (rechts) so lange Elektronen entzogen, bis diese 5-fach positiv geladen ist (Elektronen können dem Kristall nur dann entzogen werden, wenn sich diese ganz rechts befinden). Durch dieses Ladungsungleichgewicht entsteht ein elektrisches Feld im Kristall, das bewirkt, dass die rechte Sperrschicht deutlich anwächst. Die linke Sperrschicht wird zunächst geschwächt und hier finden wieder Rekombinationsprozesse statt. Dadurch werden der P-Schicht weitere Löcher entzogen. Wartet, bis sich ein Gleichgewicht gebildet hat und keine Rekombinationsprozesse mehr zu beobachten sind.
Die Ladungsbilanz der beiden Zonen in der P-Schicht ist negativer als ohne angelegte Spannung. Wiederum können keine Elektronen in die P-Schicht und auch keine Löcher aus der P-Schicht diffundieren.
Erhöht die Kollektorspannung auf 100% und lasst die Simulation weiterlaufen.

Versuch 3:

Stellt die Basisspannung auf 40% und belasst die Kollektorspannung auf 100%.

Erläuterung:

Durch Anlegen einer Basisspannung werden in der Simulation zusätzliche Löcher in die mittlere Schicht injiziert, um die Gesamtladung dieser Zone auf einem konstanten Wert zu halten. Gleichzeitig werden dabei Elektronen am Minuspol injiziert, um die Gesamtladung im Kristall bei Null zu halten. Die Löcher driften zum Minuspol, die Elektronen im Gegenzug vom Minuspol weg. Es fließt ein Strom aus Elektronen vom Emitter (links) zur Basis (Mitte). Stoppt die Simulation und beobachtet die Ladungsbilanzen:
Die P-dotierte, mittlere Schicht ist deutlich weniger stark negativ geladen. Es können einige Elektronen tief in die P-Schicht diffundieren, da das abstoßende elektrische Feld verringert worden ist.
Lasst die Simulation durch klicken auf "Start" weiterlaufen und beobachtet, wie einige Elektronen von der linken, N-dotierten Schicht in die rechte N-dotierte Schicht driften. Es fließt ein elektrischer Strom zwischen Emitter (links) und Kollektor (rechts). In der Simulation ist das Verhältnis von Emitter-Kollektor-Strom zu Emitter-Basis-Strom deutlich kleiner als 1.
In der Praxis ist dieses Verhältnis deutlich größer als 1:
Es fließen wesentlich mehr Elektronen vom Emitter quer durch den Transistor zum Kollektor als vom Emitter zur Basis. Wie kann dieser Sachverhalt mit Hilfe der Simulationssoftware erklärt werden? Nun, die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron die P-Schicht durchdringen kann steigt, wenn die Lücken zwischen den Löchern größer werden. Damit dabei aber die Ladungsbilanz gleich bleibt, muss die Anzahl negativ geladener Fremdatome ebenfalls sinken. Die Konzentration an Fremdatomen muss also verringert werden. In unserer Simulation ist das Verhältnis von Fremdatomen zu Siliziumatomen wesentlich größer als in realen Halbleiterbauteilen. Ohne den "Kunstgriff", die Anziehung von Elektronen und Löchern in einem Radius um die Ladungsträger herum deutlich zu verringern, käme kein einziges Elektron in dieser Simulation unbeschadet durch die P-Schicht. Für die elektrischen Eigenschaften eines Bipolartransistors ist neben der Konzentration der Fremdatome die Dicke der mittleren Schicht von großer Bedeutung. Ist diese zu dünn, so können die Elektronen auch ohne Anlegen einer Basisspannung den Transistor durchqueren, sobald die Emitter-Kollektor-Spannung einen bestimmten Wert erreicht. Eine zu dicke Schicht hingegen macht das Durchqueren auch mit angelegter Basisspannung unmöglich, wenn die Emitter-Kollektor-Spannung zu klein ist. Die Schichtdicke muss der geforderten Betriebsspannung angepasst werden.

Versuch 4:

Klickt auf die Schaltfläche "PNP" und wiederholt die Versuche 1-3

Erläuterung:

Neben der NPN-Schichtfolge, können Transistoren auch in PNP-Folge gefertigt werden. PNP-Transistoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip, jedoch muss bei diesen die Basis durch Elektronenzufuhr stärker negativ geladen werden, um den Transistor leitfähig zu machen. Elektronen werden dem Transistor am Emitter entzogen und am Kollektor zugeführt, der Strom fließt also in die entgegengesetzte Richtung durch den Transistor. Der wesentliche Unterschied im Ladungstransport zwischen überzähligen Elektronen und Elektronenfehlstellen liegt in der unterschiedlichen Beweglichkeit. Löcher bewegen sich langsamer durch den Kristall als Elektronen. Daher ist die Aufenthaltsdauer der Löcher in der mittleren, N-Dotierten Schicht in einem PNP-Transistor größer ist als umgekehrt die Aufenthaltsdauer von Elektronen in der P-dotierten Schicht in einem NPN-Transistor. Durch die längere Transitzeit besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass ein Loch auf seinem Weg durch die Barriere durch Rekombination vernichtet wird. Die Anzahl der Löcher, die pro Zeiteinheit vom Emitter zum Kollektor gelangen, sinkt damit in dieser Simulation bei ansonsten gleichen Bedingungen auf Null. Um wenigstens einigen Löchern den Transit zu ermöglichen, muss die mittlere, N-dotierte Schicht in ihrer Dicke halbiert werden.

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