Funktionsweise von Bipolartransistoren

Was ist ein Bipolartransistor?

Ein Bipolartransistor – im Englischen als bipolar junction transistor (BJT) bezeichnet – ist ein vielseitig einsetzbares diskretes Halbleitergerät. Diskrete Halbleiter dienen in erster Linie dazu, eine Funktion als einzelner Halbleiter zu erfüllen, anders als der Einbau mehrerer Halbleiterkomponenten in einen integrierten Schaltkreis auf einer Leiterplatte. Bipolartransistoren sind Halbleiterrelaiskomponenten mit drei Pins (Basis, Kollektor und Emitter), die aus drei Siliziumschichten aufgebaut sind. Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren: den PNP- (positiv-negativ-positiv) und den NPN-Typ (negativ-positiv-negativ). Wie bei allen Transistoren besteht die Grundfunktion eines Bipolartransistors in der Regel in der Leistungsverstärkung.

Bipolartransistoren sind stromverstärkende Bauelemente auf Halbleiterbasis, d. h. ein viel geringerer Basisstrom erzeugt einen stärkeren Strom, der vom Emitter zum Kollektor fliesst. Im Gegensatz zu Transformatoren, die entweder Strom oder Spannung verstärken können, können Transistoren beides verstärken. In seiner Rohkonfiguration verstärkt ein Bipolartransistor natürlich den Strom, kann aber bei der Integration in einen Stromkreis leicht für die Verstärkung der Spannung sorgen. Daher findet ein Bipolartransistor häufig zur Signalverstärkung über ein breites Spektrum von Stromkreisen, Systemen und Produkttypen hinweg Verwendung.

Bipolartransistoren können sowohl analoge als auch digitale Signale verstärken und bieten gleichzeitig die Möglichkeit, Gleichstrom zu schalten oder als Oszillator zu arbeiten.

Bipolartransistoren gehören zu den ersten funktionellen Transistoren, die je entwickelt wurden und waren das Ergebnis der unternehmerischen Arbeit der renommierten Physiker und Ingenieure John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley. Die drei bauten in der Nachkriegszeit zunächst in den Bell Laboratories Transistoren, welche sich in den darauffolgenden Jahrzehnten zum Standardbauteil in der Elektronik etablierten. Für seinen Beitrag, Bipolartransistoren in der Grossserienfertigung einzuführen, erhielt das Erfindertrio 1956 den Nobelpreis.

Wie funktioniert ein Bipolartransistor?

Wie der Name schon verrät, vereint ein solcher Transistor positive und negative Ladungen (also bipolare Ladungen) in einem Halbleiter. Ermöglicht wird dies durch das Schichten unterschiedlicher Arten von Halbleitern, üblicherweise Silizium, zu einer Verbindung, entweder in der Konfiguration NPN oder PNP. Zwischen den beiden Aussenschichten, Kollektor (C) und Emitter (E), befindet sich die Basis (B). Diese werden über Klemmen oder Pins mit dem Schaltkreis verbunden.

Wie bei anderen Transistoren auch besteht das grundsätzliche Funktionsprinzip eines Bipolartransistors darin, eine geringe Menge Strom, die zwischen Basis- und Kollektor fliesst, in einen stärkeren Strom zwischen Kollektor- und Emitter umzuwandeln. In dieser Hinsicht gleicht ein Bipolartransistor im Wesentlichen einem Verstärker. Daher überrascht es wenig, dass diese Technologie häufig im Audiobereich Einsatz findet. Besonders gut funktionieren Bipolartransistoren in elektronischen Audio-E/A-Konfigurationen sowie in der Funktechnik bzw. im Mobilfunk.

Bipolartransistoren funktionieren sowohl linear als auch nichtlinear, je nach Bereich des Basis-Emitter-Stroms. Ausserhalb des in der jeweiligen Spezifikation des Transistors angegebenen Strombereichs hört die Beziehung zwischen dem Basis-Emitter-Strom und Kollektor-Emitter-Strom (auch Verstärkung genannt) auf linear zu sein. Der Bipolartransistor kann deshalb in einer von drei Betriebsarten betrieben werden: "Sperrbetrieb" (aus), "Sättigung" (ein) sowie die standardmässige "aktive" (Verstärkungs)-Betriebsart.

Zur besseren Veranschaulichung stellen Sie sich die Schaltung via Transistor einfach als eine Art Ventil vor, das den Elektronenfluss durch die Komponente zum Rest des Stromkreises steuert. In dieser Analogie wäre der Basispin quasi das Ventilrad: Je nachdem, in welcher Betriebsart sich der Transistor befindet (abhängig von den relativen Spannungen an jedem seiner drei Pins), ist die Art und Weise, wie der Strom durch ihn hindurchfliesst, unterschiedlich:

Betriebsart "Aktiv"

• Hier kann der Transistor als Verstärker für den Strom fungieren, der von Basis zum Kollektor fliesst, und diesen Stromfluss vom Kollektor zum Emitter proportional verstärken.
• Dies ist eine der vielseitigsten und leistungsfähigsten Betriebsarten von Transistoren und wahrscheinlich die gängigste Anwendung für Transistoren, die in Stromkreisen verwendet werden.

"Ein" oder Betriebsart "Sättigung"

• In dieser Betriebsart fungiert der Transistor tatsächlich als Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter, wobei der Stromfluss zwischen den beiden im Wesentlichen unbeschränkt ist (der Transistor arbeitet als geschlossener oder vollständiger Stromkreis).

"Aus" oder Betriebsart "Sperrbetrieb"

• Quasi das Gegenteil der Sättigung. Der Transistor ähnelt hierbei im Wesentlichen einem unterbrochenen oder offenen Stromkreis. Es darf kein Kollektorstrom fliessen und es gibt daher keinen Emitter-Stromausgang.

Wie aus den oben genannten Aufzählungspunkten hervorgeht, funktioniert der Bipolartransistor beim Betrieb in der Betriebsart "Sperrbetrieb" oder "Sättigung" tatsächlich eher wie ein binärer (Ein-/Aus)-Stromkreisschalter. Neben der Verstärkung zählt dies zu den leistungsstärksten und vielseitigsten Verwendungen von Transistoren, auf die wir im folgenden Abschnitt näher eingehen werden.

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Der Transistor als Schalter

Eine der Schlüsselfunktionen von Transistoren stellt die Steuerung des Stromflusses von einem Teil einer elektronischen Schaltung zu einem anderen dar. Wie bereits oben erwähnt, reproduziert ein sich in gesperrter oder gesättigter Betriebsart befindlicher Bipolartransistor im Wesentlichen die binäre Ein-/Aus-Funktion eines regulären Stromkreisschalters. Auf diese Weise kann er zum Erstellen von Logikgattern verwendet werden. Durch die Kombination von Transistoren können zudem alle Grundtypen von Logikgattern (AND, OR und NOT) erzeugt werden. Dies ermöglicht den Aufbau aller Arten von integrierten Schaltkreisen – von einfachen Mikrocontrollern bis hin zu sehr komplexen Mikroprozessoreinheiten. Die Bedeutung von Transistorschaltern für den Aufbau moderner elektronischer Schaltungen kaum daher kaum überschätzt werden.

Bipolare und andere Transistortypen weisen verschiedene nützliche Eigenschaften auf, die sie für den Einsatz als Elektronikschalter besonders effizient machen:

• Sie können Zustände unglaublich schnell wechseln, z.B. bei extrem hohen Frequenzen, wie sie für den Betrieb moderner System-on-Chip-Stromkreise (SoC) in Computern erforderlich sind.
• Sie können einen niedrigen Eingangsstrom aufnehmen und nutzen, um einen viel stärkeren Strom auszugeben.
• Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, die ein Betätigungselement benötigen, und zu funktionieren, können Transistorschalter allein durch die Spannung ein- und ausschalten.
• Darüber hinaus können sie über ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) gesteuert werden
• Bei Transistorschaltern kommt es im Gegensatz zu mechanischen Ausführungen nicht zu Kontaktprellen

PNP und NPN: zwei Arten von Bipolartransistoren

Wie oben bereits angesprochen, besteht der Aufbau eines Bipolartransistors aus drei Schichten eines Halbleitermaterials. Die gesamte Leitfähigkeit eines bestimmten Halbleitermaterials kann durch die Einführung verschiedener Fremdatome in der Fertigungsphase in einem als „Dotierung“ bezeichneten Verfahren beeinflusst werden. Durch Beeinflussung der Anzahl der Elektronen im Halbleitermaterial kann die Dotierung dessen Leitfähigkeit sowohl erhöhen oder verringern als auch die Richtung des Stromflusses von einer Schicht zur nächsten beeinflussen, je nachdem, welche Art von Fremdatomen hinzugefügt oder entfernt wurde und wie die Schichten angeordnet sind.

Wurde eine der Halbleiterschichten in einem Bipolartransistor dotiert, um die Elektronenanzahl zu erhöhen, wird er negativ geladen und somit zum N-Typ. Werden hingegen die restlichen ein oder zwei Schichten mit Löchern dotiert, um einen Elektronenmangel zu erzeugen, wird er dadurch positiv geladen und somit zum P-Typ. Je nach Anordnung dieser Schichten ergibt sich einer der zwei Haupttypen von Bipolartransistoren mit jeweils unterschiedlicher Stromflussrichtung: PNP und NPN. Ein PNP-Transistor hat eine N-Typ-Halbleiterschicht, die sich zwischen zwei Schichten aus P-Typ-Material befindet, während es bei einem NPN-Transistor genau umgekehrt ist.

NPN- und PNP-Transistoren im Vergleich

Im Folgenden halten wir die Unterschiede zwischen NPN und PNP genauer fest: