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Bipolarer Transistor

Transistoren
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, bei dem man üblicherweise den bipolaren Transistor meint. Es gibt auch unipolare Transistoren, die auch als Feldeffekttransistoren bezeichnet werden.
Bipolare Transistoren bestehen typischerweise aus Silizium. Oder aus Germanium oder Mischkristallen, die aber nicht sehr häufig verbreitet sind.
Die Bezeichnung Transistor ist aus seiner Funktion abgeleitet. Bei einer Widerstandsänderung in einer Halbleiterschicht wird auch der Widerstand in der anderen Schicht beeinflusst. Aus "transfer resistor" wurde die Bezeichnung Transistor.
Transistoren werden überwiegend als Schalter oder Verstärker eingesetzt.

Aufbau des bipolaren Transistors

Jeder bipolare Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten, die übereinander gelegt sind. Man unterscheidet zwischen einer npn- oder pnp-Schichtenfolge. Die mittlere Schicht ist im Vergleich zu den beiden anderen Schichten sehr dünn. Die Schichten sind mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Gehäuse herausführen. Die Außenschichten des bipolaren Transistors werden Kollektor (C) und Emitter (E) genannt. Die mittlere Schicht hat die Bezeichnung Basis (B) und ist die Steuerelektrode oder auch der Steuereingang des Transistors.

NPN-Transistor PNP-Transistor
Aufbau eines Transistors Aufbau eines Transistors
Der NPN-Transistor besteht aus zwei n-leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne p-leitende Schicht. Der PNP-Transistor besteht aus zwei p-leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne n-leitende Schicht.

Hinweis: Das Schaltzeichen mit den beiden gegeneinander geschalteten Dioden wird gerne verwendet um den Prinzipaufbau des Transistors darzustellen. Die Funktionsweise eines Transistors kann so in der Realität aber nicht nachgestellt werden. Der Grund liegt in dem veränderten Verhalten aufgrund der sehr dünnen mittleren Schicht des Transistors.

Schaltzeichen

NPN-TransistorNPN-Transistor

PNP-TransistorPNP-Transistor

Spannungs- und Stromverteilung

Strom und Spannung am Transistor Strom und Spannung am Transistor
Strom und Spannung am NPN-Transistor Strom und Spannung am PNP-Transistor

Diese Schaltung soll nur die Strom- und Spannungsverläufe und ihre Beziehung zueinander darstellen. Grundsätzlich sollte im IB- und im IC-Stromkreis ein strombegrenzender Widerstand eingesetzt sein.
Bitte beachten: Hier gilt die technische Stromrichtung von Plus nach Minus.
Beim PNP-Transistor ist die Polarität der Spannungs- und Stromverteilung genau anders herum. In der Praxis ist lediglich auf die Polarität der Betriebsspannung zu achten. NPN-Transistoren werden für positive Spannungen verwendet. PNP-Transistoren werden für negative Spannungen verwendet.

UCE = Kollektor-Emitter-Spannung
UBE = Basis-Emitter-Spannung (Schwellwert)
IC = Kollektorstrom
IB = Basisstrom

Funktionsweise eines Transistors (NPN)

Funktionsweise eines Transistors
Bei der Funktionsweise des Transistors muss man die Stromrichtung beachten. Will man das physikalische Prinzip erklären, dann spricht man vom Elektronenstrom oder der physikalischen Stromrichtung (von Minus nach Plus). Sie wird in der folgenden Ausführung verwendet. In Schaltungen und mathematischen Berechnungen wird die technische Stromrichtung (von Plus nach Minus) verwendet.
Durch das Anlegen einer Spannung UBE von etwa 0,7 V, ist die untere Diode (Prinzip) in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen gelangen in die p-Schicht und werden von dem Plus-Pol der Spannung UBE angezogen.
Da die p-Schicht sehr klein ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen angezogen.
Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht. Dadurch wird diese leitend und der Plus-Pol der Spannung UCE zieht die Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom IC.
Bei üblichen Transistoren rutschen etwa 99% der Elektronen von Emitter zum Kollektor durch. In der Basisschicht bleiben etwa 1% der Elektronen hängen und fließen dort ab.

Eigenschaften des bipolaren NPN-Transistors

  1. Der Kollektorstrom IC fließt nur, wenn auch ein Basisstrom IB fließt. Wird der Basisstrom IB verändert, dann verändert sich auch der Kollektorstrom IC. Innerhalb des Transistors wirkt die Basisstromänderung wie eine Widerstandsänderung. Der Transistor wirkt bei einer Basisstromänderung wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand.
  2. Der Kollektorstrom IC ist um ein vielfaches von 20 bis 10000 mal größer als der Basisstrom IB. Dieser Größenunterschied kommt von der Aufteilung des Elektronenflusses von Kollektor (C) und Basis (B). Diesen Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B. Er lässt sich aus dem Verhältnis IC zu IB berechnen.
  3. Der Basisstrom IB fließt erst dann, wenn die Schwellspannung UBE an der Basis-Emitter-Strecke erreicht ist. Der Schwellwert ist abhängig vom Halbleitermaterial. Üblicherweise nimmt man Silizium-Transistoren, mit einem Schwellwert von 0,6 bis 0,7 V. Es gibt auch Germanium-Transistoren mit einem Schwellwert von 0,3 V.
    Mittels einer Hilfsspannung UBE kann der Schwellwert vorab eingestellt werden. Dieses Vorgehen wird als Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um diese eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern.
  4. Wenn kein Basisstrom IB fließt, dann sperrt der Transistor. Sein Widerstand in der Kollektor-Emitter-Strecke ist unendlich groß. Die Spannung am Kollektor-Emitter ist sehr groß. Fließt ein Basisstrom, dann wird der Transistor leitend. Sein Widerstand ist kleiner geworden. Damit ist auch die Spannung am Kollektor-Emitter kleiner. Genauer betrachtet führt eine Zunahme am Eingang (Basis) zu einer Abnahme am Ausgang (Kollektor-Emitter). Man nennt das auch invertierendes Verhalten. Diese Eigenschaft ist das Schaltverhalten des bipolaren Transistors und wird in der Elektronik sehr häufig angewendet (Transistor als Schalter).
  5. Wenn die Spannung UCE kleiner ist, als die Spannung UBE, dann befindet sich der bipolare Transistor in der Sättigung oder im Sättigungsbetrieb. Das passiert dann, wenn der Transistor durch den Basisstrom überflutet wird. Der Basisstrom ist dann so groß, dass die maximale Stromverstärkung schon längst erreicht ist und der Kollektorstrom nicht mehr weiter steigt.
    Generell hat das keine negativen Auswirkungen, solange der maximale Basisstrom nicht überschritten wird. Wenn doch, dann wird der Transistor zerstört.
    Allerdings hat der Sättigungsbetrieb negative Auswirkungen auf das Schaltverhalten eines Transistors. Bei einem schnellen Schaltvorgang, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung UCE schnell wechseln muss. Dann muss der Transistor erst von der Ladungsträgerüberflutung freigeräumt werden. Das dauert länger, als wenn nur wenige Ladungsträger über die Basis abfließen. Diese Verzögerung macht sich bei hohen Schaltfrequenzen negativ bemerkbar. Dann sollte der Sättigungsbetrieb vermieden werden.
  6. Der bipolare Transistor vereint zwei Stromkreise in sich. Der Stromkreis mit der Spannung UBE wird als Steuerstromkreis bezeichnet. Der Stromkreis mit der Spannung UCE wird als Arbeits- oder Laststromkreis bezeichnet.

Bipolare Transistoren / Standard-Typen

Typ NPN/PNP Gehäuse Ptot/W UCE/V IC/A B (ß) fG/MHz
BC 107 B NPN TO-18 0,3 45 0,1 200-450 300
BC 140-6 NPN TO-39 3,7 40 1 40-100 50
BC 140-10 NPN TO-39 3,7 40 1 63-160 50
BC 140-16 NPN TO-39 3,7 40 1 100-250 50
BC 547 A NPN SOT-54 0,5 45 0,1 110-220 300
BC 547 B NPN SOT-54 0,5 45 0,1 200-450 300
BC 547 C NPN SOT-54 0,5 45 0,1 420-800 300
BC 557 A PNP SOT-54 0,5 45 0,1 125-250 150
2 N 3055 NPN TO-3 115 60 15 20-70 0,8

Grundschaltungen des Transistors

Übersicht: Transistor

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