Bipolartransistor
Ein Bipolartransistor, meist als BJT (Bipolar Junction Transistor) bezeichnet, ist ein Transistor, bei dem Ladungsträger beider Polarität (Elektronen und Defektelektronen) zur Funktion beitragen.
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Typen und Schaltzeichen
Es gibt npn-Typen und pnp-Typen, die Buchstaben geben die Reihenfolge der Schichtung an. Somit bildet ein Bipolartransistor immer zwei gegeneinander geschaltete Dioden.
- npn-Transistor:
- Schaltzeichen eines npn-Bipolartransistors
- pnp-Transistor:
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.
- Polung des pnp-Typs
Im Schaltzeichen drückt man den 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."
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.
- Aufbau eines Bipolartransistors
Eine konsequente Erweiterung dieses Prinzips sind Halbleiterbauelemente aus mehreren Schichten (z. B. PNPN); diese werden auch als Thyristoren bezeichnet.
Funktionsweise
Beim Bipolartransistor steuert ein Strom IB im Basis-Emitter-Kreis einen (stärkeren) Strom IC im Kollektor-Emitter-Kreis.
- Emmitterschaltung 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 oben schematisch die Verhältnisse im Kristall dargestellt, darunter im Bändermodell. Hierbei stellen die kleinen +/- Symbole bewegliche Ladungsträger dar, während die großen die ionisierten Dotieratome symbolisieren.
Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors
Solange man nur Kollektor und Emitter anschließt (+ am Kollektor, - am Emitter), hat man es mit zwei Dioden zu tun, von denen eine gesperrt ist, es fließt also kein Strom. Die angelegte Spannung verkleinert zwar die B-E-Sperrschicht, vergrößert aber die C-B-Sperrschicht.
Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors bei angelegter Kollektor-Emmitter-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 nun auch Strom im C-E-Stromkreis.
Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors mit angelegter Basis-Emmiter-Spannung
Da der zwischen Basis und Emitter fließende Strom nur die B-E-Sperrschicht leitend machen muss, genügt hier ein kleiner Strom. Die einmal in die Basis gelangten Elektronen fließen zum größten Teil (ca. 99%) weiter zum Kollektor. Es wird also ein ca. 100mal größerer Strom durch den kleinen gesteuert. Das Verhältnis der Ströme ist vom Typ abhängig, man bezeichnet es als den Stromverstärkungsfaktor β. Es liegt in der Größenordnung von 10 bis 10000, 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.
Arbeitsbereiche
Diodenersatzschaltung
Der Bipolartransistor besteht aus zwei PN-Übergängen, so dass man ihn auch als Hintereinanderschaltung von zwei Dioden betrachten kann. 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: Beide Übergänge sperren. Hier leitet der Transistor keinen Strom. Er entspricht einem geöffneten Schalter.
- Verstärkungsbereich: Der Basis-Kollektor-Übergang sperrt, der Basis-Emitter-Übergang schaltet durch. Hier gilt näherungsweise
, wobei B der Stromverstärkungsfaktor ist. Da B relativ groß ist, führen hier kleine Änderungen des Basisstroms IB zu großen Änderungen des Kollektorstroms IC. Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken.
- Sättigungsbereich: Beide Übergänge schalten durch. Hier leitet der Transistor den Strom, allerdings ist der Kollektorstrom IC unabhängig vom Basisstrom IB. Der Transistor entspricht einem geschlossenen Schalter.
- inverser Verstärkungsbereich: Der Basis-Kollektor-Übergang schaltet durch, der Basis-Emitter-Übergang sperrt. Dieser Bereich funktioniert ähnlich wie der normale Verstärkungsbereich, aber meist mit einem deutlich kleineren Stromverstärkungsfaktor.
Während in der Signaltechnik Transistoren oft im Verstärkungsbereich betrieben werden, werden Transistoren in der Digitaltechnik fast ausschließlich im Sperr- und Sättigungsbereich betrieben, um so die logischen Signale "0" beziehungsweise "1" darstellen zu können. Dafür werden aber üblicherweise MOSFETs in CMOS-Technologie eingesetzt, die wesentlich verlustärmer und damit auch kühler betrieben werden können. Allerdings haben bis heute Bauteile in Bipolar-Technologie gegenüber MOSFETs Geschwindigkeitsvorteile, weshalb sie in der analogen Signalverarbeitung den MOSFETs vorzuziehen sind.
Stromverstärkungsfaktor
Man unterscheidet beim Bipolartransistor den Gleichstromverstärkungsfaktor B (auch hFE) und die differentielle Stromverstärkung β (auch hfe). Beide können sehr unterschiedlich sein (je nach Aufbau und Dotierung des Transistors).
Die Formel für Gleichstromverstärkungsfaktor lautet:
,
Die Formel für die differentielle Stromverstärkung lautet:
mit UCE = konst.
wobei IC der Kollektorstrom , IB der Basisstrom, IE der Emitterstrom und UCE die Kollektor-Emitter Spannung des Transistors ist. Typische Werte für B liegen bei 100 − 103
Man bezeichnet B auch als Großsignalverstärkung und β als Kleinsignalverstärkung.