Bipolare Transistoren

Transistoren sind aktive Halbleiterbauelemente. Sie bestehen aus einem Halbleiterkristall mit zwei voneinander unabhängigen pn-Übergängen. Die Stromleitung im Kristall bipolaren Transistoren erfolgt durch Elektronen als auch Löcher. Damit sind Defektelektronen gemeint, die sich im Kristallgitter bilden, wenn ein Bindungselektron abwandert. Die Dotierung der aufeinanderfolgenden Halbleiterschichten nimmt von hoch dotiert zu niedrig dotiert ab. Die Schichtfolge kann npn oder pnp sein. Das prinzipielle Verhalten des Transistors ist für beide Typen gleich, da sich nur die Polarität an den Elektroden und der Leitungstyp ändern. Im Schaltbild zeigt der Emitterpfeil in die technische Stromrichtung und somit vom positiveren zum negativeren Potenzial.

Tansistor, Schaltzeichen und Halbleiterschichtfolge

Das Transistorprinzip

An einen pn-Übergang mit einem hoch dotierten n-Halbleiter und einem geringer dotierten p-Kristall wird eine in Durchlassrichtung gepolte Spannung angelegt. Dadurch werden mehr Elektronen aus dem n-leitenden Bereich über die abgebaute Sperrschicht getrieben, als umgekehrt Defektelektronen aus der p-Schicht in die n-Schicht gelangen. Der p-Halbleiter wird mit Elektronen überschwemmt, oder fachlich beschrieben werden Elektronen durch den pn-Übergang in die p-Zone injiziert. Bei entgegengesetzter Dotierung gilt diese Aussage entsprechend für die Defektelektronen. Diese Ladungsträgerinjektion ist ein Schlüssel zum Verständnis des Transistorprinzips.
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Der npn-Transistor

Das Halbleitermaterial fast aller Transistoren ist Silizium, Si. Germanium, Ge wird heute nur noch in Sonderfällen verwendet. Die Arbeitsweise beider Typen ist identisch. Ein Halbleiter-Einkristall wird in abwechselnder Schichtfolge n-p-n dotiert. Die mittlere Zone muss mit (1 ... 100) μm sehr dünn sein. Die am höchsten dotierte Schicht ist E, der Emitter. Die Mittelzone B ist die Basis und die dritte Zone mit geringerer Dotierung ist C, der Kollektor. Durch diesen Aufbau bilden sich im stromlosen Zustand zwei Sperrzonen. Das formale Ersatzschaltbild zeigt, wie oben dargestellt, zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Dioden.

Ob ein Transistor defekt ist, kann mit einem Ohmmeter oder einem Multimeter in der Funktion Diodenmessbereich geprüft werden. Bei einem npn-Typ wird die Basis mit dem positiven Messpol verbunden. Bei intaktem Prüfling zeigt sowohl die Messung in Richtung Emitter als auch zum Kollektor hin einen Stromdurchgang mit geringem Widerstandswert an. Bei umgekehrter Polarität bleiben der Basis-Emitter und Basis-Collektor Übergang hochohmig und stromlos. Die Emitter-Collektor-Strecke verhält sich unabhängig von der Polung immer hochohmig.

Damit ein npn-Transistor arbeiten kann, wird normalerweise die Basis-Emitter-Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Im Vergleich dazu liegt die Basis-Collektorstrecke an einer hohen Sperrspannung. Beim Betrieb mit zwei Gleichspannungsquellen liegt die niedrigere Spannung im Basis-Emitter-Kreis. Dabei ist die Basis positiver als der Emitter. Die größere, eigentliche Betriebsspannung liegt im Collektor-Emitter-Kreis mit dem Pluspol am Kollektor. Verglichen mit dem Basispotenzial muss der Kollektor das positivere Potenzial haben, damit die Basis-Collektor-Diode im Sperrzustand verbleibt.

Bei leitender Basis-Emitter-Diode werden nach dem anfangs beschriebenen Transistorprinzip mehr Elektronen in die Basiszone injiziert als über die geringer dotierte Basis abfließen können. Da die Basiszone sehr dünn ist, dringen die meisten Elektronen in die Collektor-Basis-Sperrschicht ein. Die Feldstärke in der Sperrschicht beschleunigt die Elektronen in Richtung des stark positiven Kollektorpotenzials. Der Kollektor sammelt sozusagen die vom Emitter ausgesendeten und vom Basisstrom nicht erfassbaren Elektronen ein. Die Sperrschicht wird zur Elektronenfalle oder Senke, und da die Elektronen zum Kollektor hin abfließen können, wird sie niederohmig und Strom leitend.

Die gerade beschriebenen Vorgänge lassen sich im folgenden Flashfilm interaktiv darstellen. Die Filmsteuerung erfolgt abschnittsweise mithilfe der Play-Buttons. Im ersten Bild lässt sich die Halbleiterschichtfolge durch Überfahren mit dem Mauszeiger untersuchen.

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Dem angestrebten Konstruktionsziel für Transistoren nach sollen fast alle vom Emitter in die Basiszone injizierten Elektronen, also (90 ... 99,9) % in die Basis-Collektor-Sperrschicht geraten, und dort als Kollektorstrom abfließen. Der Kollektorstrom ist somit um ein Vielfaches größer als der Basisstrom. Ein sehr kleiner Basisstrom steuert je nach Anwendungstyp einen 10- bis 900-fach größeren Kollektorstrom. Bipolare Transistoren werden über ihren Basisstrom angesteuert und benötigen folglich immer eine kleine Steuerleistung.

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Der pnp-Transistor

Alle Darstellungen zum Verständnis des npn-Transistors gelten mit veränderter Polarität auch für den pnp-Transistor. Der Emitterhalbleiter ist hoch p dotiert, die Basiszone ist n dotiert und der Kollektor ist geringer p dotiert. Die Majoritätsladungsträger sind Defektelektronen oder Löcher. Die Emitter-Basis-Diode leitet, wenn das Emitterpotenzial ausreichend positiv gegenüber dem Basispotenzial ist. Der Emitter injiziert dann Defektelektronen in die Basiszone. Auch beim pnp-Transistor muss im Betriebsfall die Basis-Collektorstrecke gesperrt bleiben. Das Kollektorpotenzial ist daher gegenüber der Basis stark negativ.

Die Betriebsspannungen am pnp-Transistor sind im Vergleich zum npn-Transistor umgekehrt gepolt. Der Kollektor sammelt den vom Emitter injizierten und durch das elektrische Feld der Basis-Collektorsperrschicht beschleunigten Defektelektronenstrom ein. Der pnp-Transistor hat Strom verstärkende Eigenschaften. Eine kleine Basis-Emitterstromänderung bewirkt eine große Emitter-Collektorstromänderung. Der Stromfluss im Emitter-Basiskreis kann nur durch das Aufbringen einer entsprechenden Steuerleistung erzeugt werden. Zu den Transistoren lassen sich zusammenfassend folgende Aussagen machen:

  • Bei bipolaren Transistoren wird der Strom durch Elektronen und Defektelektronen aufrechterhalten.
  • Bipolare Transistoren sind verstärkende Bauelemente.
  • Im Normalbetrieb ist die Basis-Emitterstecke leitend und die Basis-Collektorstrecke gesperrt.
  • npn- und pnp-Transistoren benötigen immer eine kleine Steuerleistung.
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Spannungen und Ströme am Transistor

Nach Vereinbarung ist eine Spannung am Transistor positiv, wenn das Potenzial des ersten Messpunkts positiver gegenüber der Bezugselektrode ist. Die Spannungsbezeichnung wird mit den Kennbuchstaben der Elektroden indiziert. Der erste Index ist der Messpunkt und der zweite Indexbuchstabe die Bezugselektrode.

Für die Richtung der Stromzählpfeile wurde vereinbart, dass alle Pfeile in den Kristall hineinweisen. Ausgehend von der konventionellen Stromrichtung ergeben sich dann positive und negative Vorzeichen. Die nach der technischen Stromrichtung in den Transistor hineinfließenden Ströme werden positiv und die herausfließenden Ströme negativ gerechnet. Die folgende Skizze veranschaulicht diese Vereinbarungen.

U und I am Transistor

Das Zusammenwirken der Ströme und Spannungen am Transistor ist der Inhalt eines weiteren Kapitels, in dem auch das Vierquadranten-Kennlinienfeld vorgestellt wird.