Halbleiterphysik für Fortgeschrittene – Grundlagen des Bipolartransistors

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zur Halbleiterphysik werden die Lernenden mit dem bipolaren Transistor vertraut gemacht. Bei diesem handelt es sich um ein Halbleiterbauelement, das meistens aus Silizium besteht. Die Lernenden erkennen, dass der Transistor sowohl als Schalter als auch als Verstärker eingesetzt werden kann.

  • Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
  • Sekundarstufe I
  • 2 Unterrichtsstunden
  • Arbeitsblatt, Ablaufplan, Schaubild, Recherche-Auftrag

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Mit entsprechenden Abbildungen, Videos und Animationen werden die Schülerinnen und Schüler mit dem Aufbau des Transistors bekannt gemacht. Sie sehen, dass der Transistor aus drei dünnen Halbleiterschichten aufgebaut ist, die übereinandergelegt sind. Seine Bezeichnung ist aus seiner Funktion abgeleitet. So wird bei einer Widerstandsänderung in einer Halbleiterschicht auch der Widerstand in der anderen Schicht beeinflusst – aus dem Begriff "transfer resistor" entstand die Bezeichnung Transistor. Dabei wird zwischen einem npn- oder pnp-Transistor unterschieden, entsprechend der n- oder p-dotierten Schichten. Die jeweils mittlere Schicht ist verglichen mit den beiden anderen Schichten sehr dünn. Jede Schicht ist mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Transistorgehäuse herausführen und mit dem zugehörigen Stromkreis verbunden sind. Die Außenanschlüsse des bipolaren Transistors bestehen aus Kollektor C und Emitter E. Die mittlere Schicht wird als Basis B bezeichnet und dient als Steuerelektrode oder auch als Steuereingang des Transistors.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Halbleiterphysik für Fortgeschrittene – Grundlagen des Bipolartransistors

Die vielfältigen Möglichkeiten für den Einsatz von Transistoren in Form von Schaltern, Datenspeichern und Verstärkern auf teilweise miniaturisierten integrierten Schaltkreisen haben Technologien möglich gemacht, die unseren heutigen – meist selbstverständlichen – Umgang mit PC, Fernsehgeräten und Smartphone erst ermöglicht haben. Die meist nur noch von spezialisierten Fachleuten durchschaubaren physikalischen Abläufe werden durchschnittlichen Nutzerinnen und Nutzern verborgen bleiben – deshalb ist es wichtig, im Physik-Unterricht zumindest die Grundprinzipien von Transistoren so anschaulich wie möglich zu vermitteln.

Vorkenntnisse

Grobe Vorkenntnisse können nur von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen et cetera beschäftigt haben. Für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor völliges Neuland sein.

Didaktische Analyse

Bei der Behandlung des Themas muss man darauf achten, dass die prinzipiell gut nachvollziehbare Arbeitsweise eines Transistors so anschaulich wie nur möglich vermittelt wird. Das Modell mit zwei sich ergänzenden Wasserkreisen ist dafür sehr gut geeignet.

Methodische Analyse

Neben der schrittweisen Heranführung an Bau und Funktion von Transistoren ist es sehr wichtig, durch geeignete Übungsaufgaben die zunächst für viele etwas komplex wirkenden Schaltkreise genau zu beschreiben und zu erläutern. Wichtig wird dabei auch werden, auf den Unterschied zwischen technischer Stromrichtung (von + nach –) im Gegensatz zur tatsächlichen Fließrichtung der Elektronen (von – nach +) einzugehen.

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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • können Bau und Funktionsweise eines Bipolartransistors beschreiben und erklären. 
  • wissen um die große Bedeutung von Transistoren in der Mikroelektronik.
  • können einfache Berechnungen zur Verstärker-Wirkung von Transistoren ausführen.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
  • können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.   

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
  • setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. 
  • erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden et cetera wertfrei diskutieren zu können.

Autor

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Wolfgang Vogg

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