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Bipolar-Transistor
 
   
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Funktionsweise eines Sperrschichttransistors
 Zusammenfassung
 Weitere Themen:
 Grundschaltungen mit Bipolartransistoren


Allgemeines

Bipolar-Transistoren respektive Sperrschichttransistoren waren der erste Typ von Transistoren, der technisch verwirklicht wurde. Sie fanden sehr schnell den Weg aus den Forschungslabors in die freie Wildbahn, wo sie seit ca. 1960 (damals noch in Germaniumtechnologie) die damals vorherrschenden  Elektronenröhren sehr schnell fast vollständig verdrängten, obwohl man über die Eigenschaften damaliger Transistoren angesichts der heute verfügbaren Typen nur lächeln kann. Nachfolgend erfahren Sie in einfachen Worten, wie ein Sperrschichttransistor funktioniert. Zum Verständnis ist es erforderlich, daß Sie sich über die Funktionsweise einer  Halbleiterdiode informiert haben.


Funktionsweise eines Sperrschichttransistors / Bipolartransistors

Ein Sperrschichttransistor, auch Bipolartransistor genannt, besteht aus drei Schichten unterschiedlich dotierten Halbleitermaterials. Es gibt n-dotiertes Material mit freien Elektronen und p-dotiertes Material mit freien Löchern, d.h. fehlenden Elektronen. Aus diesem Grund gibt es npn- und pnp-Transistoren, wobei die Reihenfolge der Buchstaben die Schichtfolge beschreibt. Die beiden möglichen Aufbauarten sind in Bild 1 dargestellt.


 
Bild 2a: npn-Transistor Bild 2b: pnp-Transistor

Mit dem Buchstaben B kennzeichnet man die Basis, mit C den Kollektor (engl. Collector) und mit E den Emitter. Jeweils 2 Anschlüsse zueinander bilden mit Ausnahme Kollektor-Emitter eine Diode, die in einer Richtung leitet und in der anderen sperrt. Sinn eines Transistors ist jedoch nicht, irgendwelche Ströme gleichzurichten. Er soll vielmehr als stromverstärkendes Bauelement wirken, wobei die Basis als Steueranschluß dient. Ein kleiner Strom, der bei einem npn-Transistor in den Basisanschluß hineinfließt, soll dazu dienen, den Stromfluß zwischen Kollektor und Emitter zu steuern. Die Funktionsweise sei nachfolgend anhand eines npn-Transistors erklärt. Ein pnp-Transistor funktioniert genauso, nur daß aufgrund seines inversen Aufbaus alle Polaritäten vertauscht sind.

Zuerst einmal wollen wir die Betriebsspannung anlegen, und zwar den Pluspol an den Kollektor und Masse an den Emitter. An den Basisanschluß werden null Volt gelegt, d.h. er wird direkt mit dem Emitter verbunden. Resultat ist, daß kein Strom fließt, denn der Kollektor bildet mit der Basis eine in Sperrichtung betriebene Diode, wie in Bild 3 dargestellt.


Bild 3: Gesperrter npn-Transistor

Nun wollen wir zwischen Basis und Emitter eine positive äußere Spannung anlegen. Resultat ist zuerst einmal, daß ein Stromfluß stattfindet, denn die Basis-Emitterdiodenstrecke wird in Flußrichtung betrieben. Es fließen also Elektronen vom Emitter in die p-dotierte Halbleiterschicht, wo sie Löcherstellen besetzen. Aus der Basis fließt daher die exakt gleiche Anzahl von Elektronen hinaus. Gleichzeitig findet jedoch noch ein "Dreckeffekt" statt: Da die p-leitende Halbleiterschicht dünn ist, finden einige Elektronen in der p-dotierten Schicht nicht sofort ein Loch und gelangen in die darüberliegende n-dotierte Schicht. In dieser werden sie jedoch sofort in Richtung des Pluspols gesaugt. Und da die Anzahl der freien Ladungsträger im Material immer konstant ist, fließt ein Elektron aus dem Kollektor heraus. Die genauen physikalischen Zusammenhänge, wieso Elektronen die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor überwinden können, sind leider sehr kompliziert und würden den Rahmen deutlich sprengen. Da für das Verständnis zudem profunde Physikkenntnisse erforderlich sind, wollen wir es dabei bewenden lassen, daß dieser Effekt auftritt.



Bild 3: Leitender npn-Transistor

Resultat ist, daß man durch einen Stromfluß von Basis zu Emitter (d.h. Elektronenfluß von Emitter zu Basis) den Stromfluß von Kollektor zu Emitter steuern kann. Im Beispiel oben ist es eher ein "Dreckeffekt", aber die Halbleiterhersteller sorgen in der Praxis insbesondere durch eine extrem dünne aber großflächige Basisschicht dafür, daß schon kleine Basisströme einen großen Kollektor-Emitter-Strom zur Folge haben. Das Verhältnis von Kollektor-Emitter-Strom zu Basisstrom nennt man Stromverstärkungsfaktor. Dieser Stromverstärkungsfaktor kann bei einem einzelnen Transistor Werte von bis zu 1000 annehmen. Bei einem Basisstrom von einem tausendstel Ampere (1 mA) fließt damit ein ganzes Ampere durch den Kollektor. Auf der Emitterseite kommt zu dem Ampere genaugenommen noch der Basisstrom hinzu, so daß hier 1,001 A fließen.

Der Stromverstärkungsfaktor hängt von der Bauart ab und ist in weiten Bereichen eine Konstante. Er verstärkt zwar nicht wirklich Ströme, wie die Bezeichnung Stromverstärkung vermuten läßt, denn ein Transistor kann ja keinen Strom erzeugen, aber der Kollektor- und damit Emitterstrom folgt bei angelegter äußerer Spannungsquelle mit hoher Präzision einem kleinen Steuerstrom, der in die Basis fließt. Einen Transistor nennt man daher gerne ein stromgesteuertes Halbleiterelement. Aus diesem Grund kann man mit Transistoren Verstärker aufbauen, die winzige elektrische Signale linear sehr stark verstärken, wie dies beispielsweise  Audioverstärker eindrucksvoll beweisen. Man denke nur an den Phonoeingang für die ehemals weitverbreiteten Plattenspieler, wo kleinste Spannungen im Millivoltbereich und darunter soweit verstärkt werden, daß Lautsprecher einen ordentlichen Schalldruck produzieren. Strenggenommen ist die Bezeichnung "stromgesteuertes Bauelement" aber falsch: Man kann einen Transistor auch mit einer Steuerspannung ansteuern, wobei der Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Kollektorstrom jedoch exponentiell ist. Diesen physikalischen Zusammenhang nutzt man beispielsweise bei Logarithmierern aus.

Ist Ihnen aufgefallen, daß der Transistor im obigen Bild symmetrisch aufgebaut ist? Dann müßte es doch eigentlich möglich sein, Kollektor und Emitter zu vertauschen. Und das ist in der Tat so. Allerdings sind Transistoren in der Praxis nicht symmetrisch aufgebaut. Zur Erzielung eines hohen Stromverstärkungsfaktors ist nicht nur eine sehr dünne Basisschicht sondern darüberhinaus ein asymmetrischer Aufbau erforderlich, der bewirkt, daß bei vertauschtem Kollektor und Emitter die Optimierungen sich ins Gegenteil verkehren. Oft erreicht ein Transistor mit einem Stromverstärkungsfaktor von z.B. 500 im umgekehrten Betrieb nur den Faktor 10. Weiterhin ist die Spannungsfestigkeit deutlich geringer.

Transistoren können nicht nur als lineare Verstärker verwendet werden sondern auch als Schalter. Hierbei schleift man einen Verbraucher wie z.B. eine Lampe entweder in die Kollektor- oder Emitterleitung ein. Sorgt man dafür, daß der Steuerstrom so groß ist, daß der Kollektor- bzw. Emitterstrom unter Zugrundelegung des Stromverstärkungsfaktors größer ist als der reale Strom, der durch die Lampe fließt, wird der Transistor maximal leitend. Denn der Transistor versucht, den dem Steuerstrom entsprechenden Kollektor- bzw. Emitterstrom fließen zu lassen. Da hier aber die Lampe nicht soviel Strom fließen läßt wie der Transistor möchte, regelt der Transistor sozusagen als Notmaßnahme total auf, um soviel Strom wie möglich fließen zu lassen. Bei abgeschaltetem Steuerstrom ist der Transistor gesperrt und es fließt kein Strom durch die Lampe. Somit wirkt der Transistor in diesem Fall als Schalter. Der große Vorteil eines Transistors als Schalter ist, daß es weder mechanisch bewegte Teile gibt noch irgendwelche Kontakte sich abnutzen können, denn ein Transistor arbeitet verschleißfrei.

Verantwortlich für den Stromfluß sind selbstverständlich immer die Elektronen, aber bei Bipolartransistoren gibt es zwei Mechanismen, wie sie sich im Halbleitermaterial fortbewegen: Einmal ist es die direkte Bewegung eines Elektrons, auf der anderen Seite ist es die sogenannte Löcherleitung, bei der ein fehlendes Elektron eine Lücke bildet, was eine positive Ladung zur Folge hat. Dies Lücke wandert beim Stromfluß, indem ein Elektron diese Lücke besetzt und an einem Ursprungsort eine Lücke läßt, die wiederum ein anderes Elektron besetzt usw., so daß die wandernde Lücke wie ein positiv geladenes Teilchen wirkt. Der Ausdruck Bipolartransistor bezieht sich darauf, daß es zwei unterschiedliche Leitungsmechanismen gibt, die für die Funktion verantwortlich sind, nämlich Elektronen- und Löcherleitung.


Zusammenfassung

Ein Sperrschichttransistor besteht aus drei Schichten, wovon ein oder zwei aus n-dotiertem und ein oder zwei aus p-dotiertem Halbleitermaterial bestehen. Hierdurch kann man npn- oder pnp-Transistoren aufbauen, wobei sich pnp-Transistoren durch die umgekehrte Schichtfolge absolut spiegelbildlich verhalten wie npn-Transistoren. Durch eine extrem dünne Basisschicht bewirkt man, daß Elektronen bei vorhandenem Basisstrom vom Emitter zum Kollektor gelangen können. Folge ist, daß man mit einem kleinen durch die Basis-Emitterstrecke fließenden Steuerstrom mit großer Präzision einen um die bauartbhängige Stromverstärkung größeren Kollektor- bzw. Emitterstrom fließen lassen kann. Bei höherem Basisstrom als eigentlich nötig kann ein Transistor auch als verschleißfreier Schalter eingesetzt werden.
  

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