Transistoren Aufbau Bauformen Funktionsweise

Der Bipolartransistor

 

1. Grundlagen

Bipolartransistoren waren die ersten Transistortypen, die ab 1960 die damals übliche Röhrentechnik weitgehend ablösten. Heute sind Bipolartransistoren in fast jeder analogen Schaltung verbaut, und zählen damit zu den wichtigsten Bauelementen der Elektrotechnik. Zunächst sollen hier Aufbau und Funktion erläutert und danach die wichtigsten Grundschaltungen vorgestellt werden.

 

1.1 Aufbau

Wie alle Halbleiternbauelemente bestehen Transistoren aus unterschiedlich dotiertem, angrenzenden Halbleitern. Grundsätzlich können zwei Typen von Bipolartransistoren unterschieden werden. Dies sind die npn- sowie die pnp-Transitoren, wobei ein "n" für einen negativ dotierten Halbleiter (Elektronenüberschuss) und "p" für positiv dotierte Halbleiter (Elektronenmangel) stehen.

Ein dotierter Halbleiter entsteht durch das Einbringen von Fremdatomen in das Basismaterial (Silizium oder Germanium). Dadurch entstehen entweder überschüssige Elektronen die nicht in das Kristallgitter eingebunden sind und sich damit frei bewegen können, oder es wird ein Elektronenmangel verursacht, der zu Löchern im Kristallgitter führt. Um einen Elektronenüberschuss zu erzeugen, also einen n-dotierten Halbleiter werden Stoffe wie Phosphor oder Arsen, die jeweils ein Bindungselektron mehr als Silizium oder Germanium besitzen verwendet. Soll eine p-Dotierung erzeugt werden, müssen folglich Stoffe mit weniger Bindungselektronen als das Basismaterial wie zum Beispiel Bor oder Gallium eingebracht werden.

Der Bipolartransistor besteht also aus drei Schichten, von denen die mittlere eine andere Dotierung aufweist als die Ausenliegenden. Zunächst wird ein npn-Transistor betrachtet:

Links ist die Anordnung der Halbleiterschichten zu sehen. Es entstehen dadurch zwei pn-Übergänge, was dem Aufbau von zwei einzelne Dioden mit gemeinsamen p-Gebiet entspricht. Dies ist in der mittleren Darstellung veranschaulicht. Das gemeinsame p-Gebiet wird mit "B" gekennzeichnet und steht für Basis, die n-Gebiete sind mit "C" für Kollektor sowie "E" für Emitter beschriftet. Rechts ist das Schaltbild eines npn-Bipolartransistors mit den entsprechenden Kennzeichnungen zu sehen. Der Pfeil am Emitteranschluss zeigt bei npn-Transistoren immer nach Außen.

 

Der Aufbau eines pnp-Transistors unterscheidet sich ausschließlich durch die Anordnung der dotierten Halbleiter:

Auch hier entstehen zwei pn-Übergänge, die zwei gegeneinander geschaltete Dioden bilden. Das gemeinsame Gebiet ist hier jedoch n-dotiert, weshalb die Dioden genau entgegengesetzt zum npn-Transistor angeordnet sind. Die Anschlüsse tragen die selben Bezeichnungen wie beim npn-Transistor. Auch das Schaltbild entspricht weitgehend diesem, der Pfeil auf dem Emitteranschluss zeigt jedoch immer nach Innen.

 

Ein Bipolartransistor hat also drei Anschlüsse die aus dem Gehäuse geführt sind. Die Gehäuseformen unterscheiden sich teilweise in Form und Größe stark voneinander. Dies ist auf das breite Anwendungsspektrum von Bipolartransistoren zurück zu führen, das äußerst vielfältige Anforderungen an den Transitor stellt. Hier soll ein kurzer Überblick über die heute gängigsten Bauformen gegeben werden.

 

TO-92

Dies ist die wohl typischste Bauform eines Transistors. Es eignet sich für kleine Leistungen bis etwa einem halben Watt, was auf den hohen Wärmewiderstand des Gehäuses zurückzuführen ist.

 

TO-220

Transistoren in TO-220 Bauform eignen sich für Verlustleistungen von mehreren Watt, was aber stark vom verwendeten Kühlkörper abhängig ist.

 

SOT-23

Die SOT-23 Bauform wird häufig für kleine Leistungen in mit SMD Technik realisierten Schaltungen verwendet. Ähnlich wie beim TO-92 Gehäuse ist hier keine Wärmeabfuhr über Kühlkörper vorgesehen.

 

SOT-223

Für in SMD gefertigte Schaltungen eignen sich Transistoren im SOT-223 Gehäuse für größere Leistungen. Ein zusätzlicher Anschluss ermöglich das Auflöten auf größere Metallflächen auf der Leiterplatte, die dann als Kühlkörper dienen.

 

1.2 Funktion

Die Funktion des Bipolartransistors soll am Beispiel eines npn-Typs erläutert werden. Zunächst wird eine Spannung über den Kollektor und Emitter Anschluss angelegt.

Ersetzt man die Darstellung des Halbleitermaterials durch das Ersatzschaltbild der gegeneinander geschalteten Dioden, erkennt man das hier kein Stromfluss, unabhängig der Polarität von U1, möglich ist da immer eine Diode in Sperrrichtung betrieben wird.

Nun wird zusätzlich eine kleine Spannung von ca. 0,6-0,7V an die Basis angelegt:

Dadurch entsteht ein Stromfluss zwischen Emitter und Basis, da die imaginäre Emitter-Basis Diode in Flussrichtung betrieben wird und Elektronen durch die angelegt Spannung aus dem n- in das p-Gebiet wandern (diffundieren). Durch die an den Kollektor angelegte Spannung, werden Elektronen die in das p-Gebiet der Basis gelangen in das n-Gebiet des Kollektors abgesaugt, wodurch ein wesentlich größerer Stromfluss als zwischen Emitter und Basis entsteht. Das heißt es entsteht abhängig vom Stromfluss vom Emitter zur Basis, ein Strom vom Emitter zum Kollektor. Dies geschiet allerdings nur, wenn das Potential der Basis im Bezug auf das Emitterpotential positiv ist, da sonst die Emitter-Basis Diode in Sperrrichtung betrieben wird und keine Elektronen in das p-Gebiet gelangen.

Da die obige Skizze keine reale Schaltung liegt den weiteren Betrachtungen folgene Schaltung zugrunde:

 

Wie bei jeder Diode, darf ein Transistor niemals ohne Widerstände im Steuer und Lastkreis betrieben werden, da sonst der Strom kaum begrenzt und der Transistor damit zerstört wird. Hierzu wurde ein 10K Widerstand vor die Basis geschaltet. Im Laststromkreis begrenzt ein 2,2K Widerstand den Strom über die Kollektor-Emitter Strecke. Die Spannung U2 soll konstant 10V betragen. Über die Spannung U1 wird der Basisstrom eingestellt. Durch Messung der Ströme die durch die Basis (Ib) und den Kollektor (Ic) fließen, erhält man folgenden Ic/Ib Verlauf:

Zunächst verhält sich der Kollektorstrom proportional zum Basisstrom und es ergibt sich im Diagramm eine Gerade. Das Verhältniss des Kollektorstromes zum Basisstrom, ergibt die Stromverstärkung B.

 

Der verwendete Transistor ist ein BC548B und ein Blick ins Datenblatt zeigt eine mittlere Stromverstärkung von 290, was aufgrund der Tatsache dass die Stromverstärkung sehr große Toleranzen aufweist den Messwerten entspricht. Ab einem bestimmten Basisstrom von etwa 16µA steigt der Kollektorstrom nicht mehr weiter an. Errechnet man den Strom, der ohne den Transistor fließen würde zeigt sich dass kaum noch Spannung am Transistor abfällt:

 

Wie im Diagramm zu sehen ist, steigt der Strom bis knapp unter 4,5mA. Das bedeutet: Die Spannung die über dem Transistor bei einem Basisstrom von 16µA abfällt geht gegen Null. Auch dies entspricht dem Datenblatt, indem das Verhältniss der Spannung UCE (Kollektor-Emitterspannung) zum Basisstrom Ib für meherere Kollektorströme graphisch dargestellt ist und bei allen Bipolartransistoren etwas so aussieht:

 

Allgemein gilt: Je geringer der Kollektorstrom, desto weniger Spannung fällt über der Kollektor-Emitterstrecke ab. Das zeigt sich auch im sog. Ausgangskennlinienfeld:

 

Hier sieht man, dass abgesehen von einem kleinen Bereich von UCE, nähmlich dem nahe dem Nullpunkt, diese kaum Einfluss auf den Kollektorstrom hat. Der Strom IC wird sonst fast ausschließlich durch die Spannung UBE bestimmt.

Das bestätigt auch das Eingangskennlinienfeld, das in etwas so aussieht:

Ab ein Spannung von etwa 0,5V beginnt die Basis-Emitterdiode zu leiten. Danach steigt der Strom sehr stark an, weshalb der Betrieb ohne Basiswiderstand wie schon erwähnt sofort zerstört.

Neueste Artikel
Anzeigen:
Aktuelle Newsbeiträge
Sie sind Besucher Nr. 1199664