Bipolartransistor

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Ein Bipolartransistor, meist als BJT (Bipolar Junction Transistor) bezeichnet, ist ein Transistor, bei dem Ladungsträger beider Polarität (Elektronen und Defektelektronen) zur Funktion beitragen.

[Bearbeiten] Typen und Schaltzeichen

Bipolartransistoren werden in die Typen npn und pnp unterteilt. Die Buchstaben geben die Reihenfolge und den Dotierungstyp der Schichtung an. Somit bildet ein Bipolartransistor im Wesentlichen immer zwei gegeneinander geschaltete pn-Übergänge (ähnlich dem in einer Diode). Die drei Anschlüsse werden Kollektor (C, collector) Basis (B, base) und Emitter (E, emitter) genannt.

npn-Transistor	pnp-Transistor
Dioden-Ersatzschaltbild (oben) und Schaltzeichen eines npn-Bipolartransistors	Dioden-Ersatzschaltbild (oben) und Schaltzeichen eines pnp-Bipolartransistors

Beim pnp-Transistor ist die Reihenfolge der Schichten p-n-p, d. h. die beiden Dioden zwischen Basis und Emitter sowie zwischen Basis und Kollektor haben jeweils die entgegengesetzte Polung gegenüber dem npn-Typ.

Im Schaltzeichen drückt man diesen Unterschied aus, indem man den Richtungspfeil der Basis-Emitter-Diode umdreht.

Schaltzeichen von pnp- und npn-Transistoren

Um sich die Pfeilrichtung des Schaltzeichens besser merken zu können gibt es einen einprägsamen Spruch: „Tut der Pfeil der Basis weh, handelt sich's um pnp.“ Ein einfacher Satz für den pnp-Typ ist auch: Pfeil-Nach-Platte--> pnp

Die Pfeilrichtung kann man auch mit der technischen Stromrichtung erklären, die immer von Plus nach Minus verläuft. Bei npn-Transistor (negativ-positiv-negativ) zeigt der Pfeil also nach außen. Umgekehrt zeigt beim pnp-Transistor (positiv-negativ-positiv) der Pfeil nach innen.

Es handelt sich hierbei nur um Ersatzschaltbilder. Das bedeutet, dass man mit zwei Dioden keinen Transistoreffekt erzeugen kann, denn die Majoritäten würden in dem Gebiet einer solchen Pseudobasis rekombinieren. Dies gilt auch für Schaltungen, bei denen der Abstand zwischen Emitter-Basis- und Kollektor-Basis-Kontakt zu groß ist. Für die Ausbildung des Transistoreffekts muss die Bedingung W<<L_b erfüllt sein.

[Bearbeiten] Aufbau

Der Bipolartransistor wurde auf der Grundlage der Diode entwickelt. Eine Diode besteht aus zwei dotierten Halbleiterschichten (pn- beziehungsweise np-dotiert) und „schaltet“ Strom nur in einer Richtung durch. Ein Transistor ist nun eine Kombination aus drei abwechselnden p- und n-dotierten Halbleiterschichten (npn beziehungsweise pnp). Sie werden als Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet. Die Basis ist besonders dünn und liegt zwischen Kollektor und Emitter. Dieser asymmetrische Aufbau bewirkt ein unterschiedliches Verhalten im Normal- und Inversbetrieb.

Transistoren sind in der Praxis mit mehr als drei Schichten, mit unterschiedlicher Dotierung und Dotierungsdichte, aufgebaut. Die Kollektorzone besteht hierbei immer aus mindestens zwei unterschiedlich stark dotierten Zonen. Die Bezeichnungen npn und pnp beziehen sich nur auf den aktiven inneren Bereich, jedoch nicht den tatsächlichen Aufbau.

Schematischer Aufbau eines pnp-dotierten Bipolartransistors in Epitaxial-Planar Technik

Schematischer Aufbau eines npn-dotierten Bipolartransistors in Epitaxial-Planar Technik

Praktischer Aufbau eines npn-Transistors in Epitaxial-Planar-Technik

Einzeltransistoren werden meist in der Epitaxial-Planar Bauweise hergestellt. Integrierte Transistoren werden ebenfalls in Epitaxial-Planar Bauweise hergestellt, allerdings befindet sich der Kollektoranschluss an der Oberseite. Der Substratanschluss (substrate; S) ist eine Verbindung mit den tieferen Schichten. Am Substratanschluss wird eine negative Spannung angelegt. Dies bewirkt eine Sperre der Substratdiode und damit eine Trennung der einzelnen Transistoren.

Man unterscheidet bei integrierten Transistoren grundsätzlich zwischen vertikal und lateral aufgebauten Transistoren. npn-Transistoren werden in der Praxis vertikal und pnp-Transistoren lateral aufgebaut. Vertikale Transistoren weisen einen vertikalen Stromfluss auf. Bei lateralen Transistoren erfolgt der Stromfluss horizontal und die Stromverstärkung ist um das 3 bis 10fache größer und die Schaltfrequenzen sind höher, da die Basiszone kleiner aufgebaut werden kann. Aus diesem Grund werden auch npn-Transistoren lateral aufgebaut, indem man alle p- durch n- sowie n- durch p-Zonen, inklusive dem Substrat, austauscht und das Substrat an eine positive Spannung anschließt. npn- und pnp-Transistoren sind komplementär, wenn die elektrischen Daten bis auf das Vorzeichen identisch sind.

Schematischer Aufbau eines integrierten vertikalen npn-Transistors

Schematischer Aufbau eines integrierten lateralen pnp-Transistors

Eine konsequente Erweiterung dieses Prinzips sind Halbleiterbauelemente aus mehreren Schichten (z. B. pnpn); diese werden auch als Thyristoren bezeichnet.

siehe auch: Herstellung integrierter Schaltungen

[Bearbeiten] Funktionsweise

Beim Bipolartransistor steuert ein Strom I_B im Basis-Emitter-Kreis einen (stärkeren) Strom I_C im Kollektor-Emitter-Kreis.

Emitterschaltung eines Bipolartransistors

Die drei Kristallschichten bilden zwei p-n-Übergänge aus, d. h. es handelt sich um zwei Dioden mit einer gemeinsamen Elektrode. Als Beispiel ist ein NPN-Transistor gewählt.

Nachfolgend sind schematisch die Verhältnisse als Bändermodell im Kristall dargestellt. Hierbei stellen die kleinen +/−-Symbole bewegliche Ladungsträger (Majoritätsladungsträger, Elektronen bzw. Defektelektronen) dar, während die großen die ionisierten Dotieratome symbolisieren.

Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors

Wird nur Kollektor und Emitter angeschlossen (+ am Kollektor, - am Emitter) entspricht dies schaltungstechnisch zwei Dioden von denen eine gesperrt ist, es fließt also nur ein kleiner Strom, welcher betragsgleich mit dem Sperrstrom der BC-Diode ist. Die angelegte Spannung verkleinert zwar die B-E-Sperrschicht, vergrößert jedoch die C-B-Sperrschicht.

Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors bei angelegter Kollektor-Emitter-Spannung

Durch Schließen des B-E-Stromkreises (+ an der Basis, - am Emitter) wird die B-E-Diode leitend. Es gelangen Elektronen aus dem Emitter (lat. emittere = aussenden) in die Basis. Wegen der geringen Weite der Basis können die meisten Elektronen auf die Seite der C-B-Sperrschicht diffundieren, von der aus diese keinen Potenzialwall, sondern ein Gefälle darstellt. Das elektrische Feld in der Sperrschicht beschleunigt die Elektronen in Richtung Kollektor (lat. colligere = sammeln). Somit fließt ein Strom im C-E-Stromkreis.

Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors mit angelegter Basis-Emitter-Spannung

Da der zwischen Basis und Emitter fließende Strom nur die B-E-Sperrschicht leitend machen muss, genügt hier eine kleine Spannung an der Basis. Die einmal in die Basis gelangten Elektronen fließen zum größten Teil (ca. 99 %) weiter zum Kollektor. Es wird also ein viel größerer Strom durch den kleinen gesteuert. Das Verhältnis der Ströme ist vom Typ abhängig, man bezeichnet es als den Stromverstärkungsfaktor β. Er liegt in der Größenordnung von 10 bis 10.000, je nach Konstruktion des Transistors.

Die Wirkungsweise eines PNP-Transistors ist entsprechend, jedoch sind die Polungen beider Stromkreise umzukehren, um der entgegengesetzten Polung der beiden Sperrschichten Rechnung zu tragen.

[Bearbeiten] Arbeitsbereiche

Diodenersatzschaltung

Der Bipolartransistor besteht aus zwei pn-Übergängen. Indem man entsprechende Spannungen anlegt, kann man beide Übergänge unabhängig voneinander sperren oder durchschalten. Dadurch ergeben sich vier mögliche Arbeitsbereiche, in denen der Transistor ein je eigenes Verhalten zeigt.

Sperrbereich:

Im Sperrbereich (cut-off region) oder Sperrbetrieb sperren beide Übergänge (d. h. die Kollektor- und die Emitterdiode). In diesem Betriebszustand leitet der Transistor keinen Strom. Der Transistor entspricht damit einem geöffneten Schalter.

Verstärkungsbereich:

Der Verstärkungsbereich (forward region) tritt im sogenannten Normalbetrieb auf. Hierbei wird die Emitterdiode in Flussrichtung und die Kollektordiode in Sperrichtung betrieben.

Im Verstärkungsbereich gilt näherungsweise die Formel $I_{\rm C} = B \cdot I_{\rm B}$ , wobei B der Stromverstärkungsfaktor ist. Da B relativ groß ist, führen hier kleine Änderungen des Basisstroms $I B$ zu großen Änderungen des Kollektorstroms $I C$ . Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken.

Sättigungsbereich:

Der Sättigungsbereich tritt im Sättigungsbetrieb (bzw. in der Sättigung) auf. Im Prinzip wird der Transistor im Normalbetrieb betrieben. Die Kollektordiode wird dabei zeitweise in Flussrichtung geschaltet, wodurch diese gesättigt wird. Beide Übergänge schalten dabei durch.

Der Transistor leitet im Sättigungsbereich den Strom, allerdings ist der Kollektorstrom $I C$ unabhängig vom Basisstrom $I B$ . Der Transistor entspricht einem geschlossenen Schalter.

Ein übersteuerter Transistor schneidet das Signal ab, sofern sich der Arbeitspunkt nicht weit genug entfernt vom Sättigungsbereich befindet, oder die Amplitude des Signals zu hoch ist.

inverser Verstärkungsbereich:

Der inverse Verstärkungsbereich (reverse region) tritt im Inversbetrieb auf. Dabei werden der Basis-Kollektor-Übergang in Durchschaltrichtung und der Basis-Emitter-Übergang in Sperrrichtung betrieben. Dieser Bereich funktioniert ähnlich wie der normale Verstärkungsbereich, aber meist mit einem deutlich kleineren Stromverstärkungsfaktor.

Während in der analogen Signaltechnik Transistoren meistens im Verstärkungsbereich betrieben werden, werden sie in der Digitalelektronik fast ausschließlich im Sperr- und Sättigungsbereich betrieben. Hierfür werden heute aber hauptsächlich MOSFETs eingesetzt.

[Bearbeiten] Standardbauteile

Obwohl es für die verschiedensten Einsatzzwecke Transistortypen mit speziellen Eigenschaften gibt, verwendet man in der Praxis meist nur einige wenige Typen. Die wichtigsten sind:

BC547B NPN-Transistor

Kenndaten: P_max=0,50 W; I_C ≤ 100 mA; U_CE ≤ 45 V; B ≈ 290 (bei I_C = 2 mA); TO-92 Gehäuse
BC557B PNP-Transistor

Kenndaten: P_max=0,50 W; I_C ≥ -100 mA; U_CE ≥ -45 V; B ≈ 290 (bei I_C = 2 mA); TO-92 Gehäuse

Diese Transistoren sind im Einsatz bei Kleinsignalen für viele Zwecke geeignet. Der Preis dieser Typen liegt dank Massenfertigung bei ca. 3 ct (bei Abnahme geringer Stückzahlen; bei größeren Abnahmemengen sinkt der Preis deutlich).

[Bearbeiten] Gehäuseformen

verschiedene Transistor-Bauformen

Innenansicht eines Leistungstransistors für ca. 10 A Kollektorstrom (Gehäuse TO-3), Blick auf den strukturierten und gebondeten Chip, ca. 4,5×4,5 mm². Zu sehen sind die kammartigen Kontaktstrukturen von Basis (oben) und Emitter (unten). Der Kollektoranschluss wird durch Löten der Chiprückseite auf das Gehäuse gebildet.

Diskrete Bipolartransistoren werden abhängig vom Einsatzzweck in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht. Die gängigsten Gehäuseformen sind hierbei TO-92 (5 × 5,2 mm²), TO-220 (9,9 × 15,6 mm²; Anschluss für Kühlkörper) und TO-218 (15 × 20,3 mm²; Anschluss für Kühlkörper) bei den THT-Bauteilen, wowie SOT-23 (1,3 × 2,9 mm²; Anschluss für Wärmeableitung über Leiterplatte), SOT-89 (2,6 × 4,5 mm²) und SOT-223 (3,5 × 6,5 mm²) bei den SMD-Bauteilen.

[Bearbeiten] Detailbeschreibung

Der Bipolartransistor ist ein sehr gut untersuchtes Bauelement. Um sein Verhalten zu beschreiben gibt es zahlreiche Modelle. Da diese Detailbeschreibungen sehr umfangreich sind, wurden sie in entsprechende Unterartikel ausgegliedert: