Bipolare Transistoren
Dieser Artikel beschreibt Basiseigenschaften von npn-Transistoren und pnp-Transistoren. Es gibt eine Übersicht zu den Spannungen und Strömen am Transistor und es werden die wichtigsten Grenz- und Kennwerte bipolarer Transistoren erklärt. Transistoren sind aktive Halbleiterbauelemente, die in einem Halbleiterkristall zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete pn-Übergänge aufweisen. Die Stromleitung im Kristall bipolaren Transistoren erfolgt sowohl durch Elektronen als auch durch (Elektronen)-Löcher. Sie werden als Defektelektronen bezeichnet, denn sie entstehen im ortsstabilen Kristallgitter beim Abwandern eines Bindungselektrons. Die Dotierung der aufeinanderfolgenden Halbleiterschichten nimmt von hoch dotiert zu niedrig dotiert ab. Die Schichtfolge kann npn oder pnp sein. Das prinzipielle Verhalten des Transistors ist für beide Typen gleich, da sich nur die Polarität an den Elektroden und der Leitungstyp ändern. Im Schaltbild zeigt der Emitterpfeil in die technische Stromrichtung oder vom mehr positiven zum weniger positiven oder negativen Potenzial.
Das Arbeitsprinzip eines Transistors
An einen pn-Übergang mit einem hoch dotierten n-Halbleiter und einem geringer dotierten p-Kristall wird eine in Durchlassrichtung gepolte Spannung angelegt. Dadurch werden mehr Elektronen aus dem n-leitenden Bereich über die abgebaute Sperrschicht getrieben, als umgekehrt Defektelektronen aus der p-Schicht in die n-Schicht gelangen. Der p-Halbleiter wird mit Elektronen überschwemmt. Fachlich besser beschrieben werden Elektronen durch den pn-Übergang in die p-Zone injiziert. Bei entgegengesetzter Dotierung gilt diese Aussage entsprechend für die Defektelektronen. Diese Ladungsträgerinjektion ist ein Schlüssel zum Verständnis des Transistorprinzips.
△Der npn-Transistor
Das Halbleitermaterial fast aller Transistoren ist Silizium (Si). Germanium (Ge) wird heute nur noch in Sonderfällen verwendet. Die Arbeitsweise beider Typen ist identisch. Ein Halbleiter-Einkristall wird in abwechselnder Schichtfolge n-p-n dotiert. Die mittlere Zone muss mit (1 ... 100) μm sehr dünn sein. Die am höchsten dotierte Schicht ist E, der Emitter. Die Mittelzone B ist die Basis und die dritte Zone mit geringerer Dotierung ist C, der Kollektor. Durch diesen Aufbau bilden sich im stromlosen Zustand zwei Sperrzonen. Das formale Ersatzschaltbild zeigt, wie oben dargestellt, zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Dioden.
Ob ein Transistor defekt ist, kann mit einem Ohmmeter oder einem Multimeter in der Funktion Diodenmessung geprüft werden. Bei einem npn-Typ wird die Basis mit dem positiven Messpol verbunden. Bei intaktem Prüfling zeigt sowohl die Messung in Richtung Emitter als auch zum Kollektor hin einen Stromdurchgang mit geringem Widerstandswert an. Bei umgekehrter Polarität bleibt der Basis-Emitter und Basis-Kollektor Übergang hochohmig und stromlos. Die Emitter-Kollektor-Strecke verhält sich unabhängig von der Polung immer hochohmig.
Damit ein npn-Transistor leitend wird, muss die Basis-Emitter-Diode in Durchlassrichtung gepolt sein. Im Vergleich dazu liegt die Basis-Kollektorstrecke an einer hohen Sperrspannung. Beim Betrieb mit zwei Gleichspannungsquellen hat der Basis-Emitter-Kreis die niedrigere Spannung und die Basis ist positiver als der Emitter. Die größere, eigentliche Betriebsspannung liegt im Kollektor-Emitter-Kreis mit dem Pluspol am Kollektor. Verglichen mit dem Basispotenzial muss der Kollektor ein viel höheres positives Potenzial haben. Dadurch bleibt Basis-Kollektor-Diode im Sperrzustand.
Bei leitender Basis-Emitter-Diode werden nach dem anfangs beschriebenen Transistorprinzip mehr Elektronen in die Basiszone injiziert als über die geringer dotierte Basis abfließen können. Da die Basiszone sehr dünn ist, dringen die meisten Elektronen in die Sperrschicht der Kollektor-Basis-Diode ein. Die Feldstärke in der Sperrschicht beschleunigt die Elektronen in Richtung des hohen positiven Kollektorpotenzials. Der Kollektor sammelt sozusagen die vom Emitter ausgesendeten und vom Basisstrom nicht erfassbaren Elektronen ein. Die Sperrschicht wird zur Elektronenfalle oder Senke, und da die Elektronen zum Kollektor hin abfließen können, wird diese Strecke niederohmig und für den Strom leitend.
Der folgende Videoclip zeigt stilisiert die beschriebenen Vorgänge, die bei Stromfluss in den Kristallschichten eines npn-Transistors ablaufen. Die einblendbare Controlleiste ermöglicht es, die Texte in Ruhe zu lesen.
Nach dem angestrebten Konstruktionsziel für Transistoren sollen fast alle vom Emitter in die Basiszone injizierten Elektronen, also (90 ... 99,9) % in die Basis-Kollektor-Sperrschicht geraten. Das dort in der Sperrschicht entstehende starke elektrische Feld beschleunigt die Elektronen, die dann den Kollektorstrom bilden. Er ist um ein Vielfaches größer als der Basisstrom. Ein sehr kleiner Basisstrom steuert je nach Anwendungstyp einen 10- bis 900-fach größeren Kollektorstrom. Bipolare Transistoren werden durch ihren Basisstrom gesteuert und benötigen folglich immer eine kleine Steuerleistung.
△Der pnp-Transistor
Alle Darstellungen zur Funktionsweise des npn-Transistors gelten mit veränderter Polarität auch für den pnp-Transistor. Der Emitterhalbleiter ist hoch p dotiert, die Basiszone ist n dotiert und der Kollektor ist geringer p dotiert. Die Majoritätsladungsträger sind Defektelektronen genannte Löcher. Die Emitter-Basis-Diode leitet, wenn das Emitterpotenzial ausreichend positiv gegenüber dem Basispotenzial ist. Der Emitter injiziert dann Defektelektronen in die Basiszone. Auch beim pnp-Transistor muss im Betriebsfall die Basis-Kollektorstrecke gesperrt bleiben. Das Kollektorpotenzial ist daher gegenüber der Basis stark negativ.
Die Betriebsspannungen am pnp-Transistor sind im Vergleich zum npn-Transistor umgekehrt gepolt. Der Kollektor sammelt den vom Emitter injizierten und durch das elektrische Feld der Basis-Kollektor-Sperrschicht beschleunigten Defektelektronenstrom ein. Transistoren haben Strom verstärkende Eigenschaften. Eine kleine Basis-Emitter-Stromänderung bewirkt eine große Emitter-Kollektor-Stromänderung. Der Stromfluss im Emitter-Basiskreis ist für eine kleine Steuerleistung verantwortlich, die der ansteuernden Quelle entnommen wird. Zu den Transistoren lassen sich zusammenfassend folgende Aussagen machen.
Bei bipolaren Transistoren wird der Strom durch Elektronen und Defektelektronen aufrechterhalten.
Bipolare Transistoren sind verstärkende Bauelemente.
Im Normalbetrieb ist die Basis-Emitterstecke leitend und die Basis-Kollektorstrecke gesperrt.
npn- und pnp-Transistoren benötigen immer eine kleine Steuerleistung.
Spannungen und Ströme am Transistor
Nach Vereinbarung ist eine Spannung am Transistor positiv, wenn das Potenzial des ersten Messpunkts positiver gegenüber der Bezugselektrode ist. Die jeweilige Spannung wird mit den Kennbuchstaben der Elektroden indiziert. Der erste Index ist der Messpunkt und der zweite Indexbuchstabe die Bezugselektrode.
Für die Richtung der Strompfeile wurde vereinbart, dass alle Pfeile in den Kristall hineinweisen. Ausgehend von der konventionellen Stromrichtung ergeben sich dann positive und negative Vorzeichen. Die nach der technischen Stromrichtung in den Transistor hineinfließenden Ströme werden positiv und die herausfließenden Ströme negativ gerechnet. Die folgende Skizze veranschaulicht diese Vereinbarungen. Das Zusammenwirken der Ströme und Spannungen am Transistor ist der Inhalt eines weiteren Kapitels, in dem auch das Vierquadranten-Kennlinienfeld vorgestellt wird.
△
Grenz- und Kennwerte bipolarer Transistoren
Viele Transistoreigenschaften werden im Vierquadranten-Kennlinienfeld grafisch dargestellt. Die Kennlinien sind hilfreich zur Beschreibung der Verstärker- und Schalteigenschaften von Transistoren, geben aber nur wenig Auskunft über die unbedingt einzuhaltenden Grenzdaten.
Grenzdaten eines Bauteils sind vom Hersteller angegebene spezifische Maximalwerte. Sie dürfen nicht überschritten werden, um die Funktionalität des Bauteils nicht zu einzuschränken oder zu zerstören.
Maximale Verlustleistung
Beim Betrieb eines Transistors fließt elektrischer Strom durch den Halbleiterkristall, der den ohmschen Widerstand der Halbleiterzonen überwinden muss. Dabei entsteht Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird. Halbleiter sind NTC-Widerstände, die mit zunehmender Erwärmung niederohmig und besser leiten werden. Stromfluss und Erwärmung ergänzen sich gegenseitig, wodurch es zur Bauteilzerstörung kommen kann. Die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur liegt bei Germanium um 90 °C und bei Silizium um 150 °C.
Die Verlustleistung ist definiert als Ptot = IB·UBE + IC·UCE, wobei der erste Term vernachlässigbar klein ist. Die Hersteller geben in den Datenblättern den Grenzwert Ptot für eine bestimmte Gehäusetemperatur an. Dieser Wert darf nicht überschritten werden, sonst reicht der Wärmetransport vom Kristall an die Umgebung zur Kühlung nicht mehr aus. Bei einem zu geringen Temperaturgefälle zwischen Gehäuse und Umgebung muss die maximale Verlustleistung reduziert werden. Abhilfe kann durch einen Kühlkörper oder eine zusätzliche Ventilation erfolgen.
Die Darstellung zeigt in Analogie zum elektrischen Strom in rot den Wärmestrom, der durch verschiedene Wärmewiderstände letztlich an die Umgebung abgestrahlt wird. RthU ist der Wärmewiderstand zwischen Kristall und Umgebung, angegeben in Kelvin/Watt. RthG ist der Wärmewiderstand zwischen Kristall und Gehäuse, nach Datenblattangabe. RthGK ist der Wärmewiderstand für den Übergang Gehäuse zum Kühlkörper. RthK ist der Wärmewiderstand des Kühlkörpers zur Umgebung.
Spannungsgrenzwerte
Die Sperrfähigkeiten der Basis-Emitter-Zone und die der Kollektor-Basis-Zone sind begrenzt. Beim Überschreiten eines maximalen Spannungswerts kommt es wie bei einer Z-Diode zum Durchbruch mit starkem Stromanstieg. Die Emitter-Basis Durchbruchspannung oder maximale Basis-Emitter Sperrspannung liegt bei Si-Transistoren im Bereich von 5 Volt, bei Ge-Transistoren nahe 20 Volt.
In der Emitterschaltung mit UE = 0 Volt ist die Durchbruchspannung UBR oder UCEmax von der Beschaltung der Basiselektrode abhängig. Am niedrigsten ist der Wert bei offener Basis. Normalerweise wird UCEmax ≈ 0,5 · UCBmax betragen. In Datenbüchern wird vielfach UCE0 bei offener Basis angegeben.
Die Werte lassen sich mithilfe einer einstellbaren Gleichspannungsquelle mit sehr guter Strombegrenzung experimentell bestimmen. Für den BC 107 konnte eine UBR = UCE0 von 60 Volt (Datenbuch: 45 V) und beim Basis-Emitter Kurzschluss eine UCES = 130 Volt gemessen werden.
Maximaler Kollektorstrom
Die Elektronenverteilung im Halbleiterkristall ist nicht homogen. Es bilden sich immer wieder Bereiche mit hoher Stromdichte und lokal höherer Wärmeentwicklung. An diesen Stellen kann ein zu hoher Kollektorstrom – unterstützt durch die Heißleitereigenschaften des Halbleiters – diesen schädigen oder zerstören. Wird bei kleinen Betriebsspannungen rein rechnerisch die Verlustleistung des Transistors nicht überschritten, so darf der Kollektorstrom dennoch nicht größer als der von Hersteller angegebene Maximalwert sein. Der maximale Kollektorstrom wird in Datenbüchern als Imax, ICmax, teilweise auch als IEmax angegeben.
Kollektorsättigungsspannung
Der Wert ist eher eine Kenngröße und kein absoluter Grenzwert. Die Kollektorsättigungsspannung ist eine Funktion des Kollektorstroms. Sie ist für bestimmte Basisstromverstärkungen in Datenblättern im Diagramm UCEsat = f(IC) ablesbar. Der niedrigste Wert wird an der Übersteuerungsgrenze erreicht. Im Kennliniendiagramm ist es die Kniespannung. Ab diesem Punkt hat eine Erhöhung des Basisstroms durch Vergrößern der Steuerspannung zwischen Basis und Emitter keinen Einfluss mehr.
Die Übersteuerung beginnt bei abgebauter Sperrschicht der Kollektor-Basis-Diode. Die Spannung UCB an der Kollektor-Basisstrecke beträgt UCB = 0 V. Zu diesem Zeitpunkt ist UCEsat = UBE. In Datenblättern kann auch ein endgültiger Wert der UCEsat für die Grenzwerte ICmax und IBmax angegeben sein. In diesem Fall und bei einer Übersteuerung ist dann UBE > UCEB.
Die Angabe der Sättigungs- oder Restspannung erfolgt für einen durchgeschalteten Transistor bei einem fest gewählten Steuerstrom. Im Schalterbetrieb, im Fall des geschlossenen Schalters, bleibt immer eine Restspannung an der Kollektor-Emitterstrecke messbar. Der Transistor arbeitet nicht so ideal wie ein guter mechanischer Schaltkontakt. Die Restspannung für Kleinleistungstransistoren liegt um 0,3 V und kann bei Leistungstransistoren 1 bis 2 Volt betragen.
Kollektorrestströme
Der Reststrom ist ebenfalls nur ein Kennwert und wird beim gesperrten Transistor gemessen. Ist der Basisanschluss offen und IB = 0, kann durch den gesperrten pn-Übergang der Basis-Kollektor-Diode ein sehr geringer Sperrstrom zum Emitter fließen. Dieser ICE0 Reststrom beträgt bei Si-Transistoren einige Nanoampere und ist vernachlässigbar. Bei Ge-Transistoren liegen die Werte im μA-Bereich und verhindern ein sicheres Sperren.
Die Sperrströme sind sehr temperaturabhängig und nehmen mit steigender Temperatur exponentiell zu. Ihre Ursache sind Minoritätsladungsträger. Durch Energiezufuhr nimmt die Paarbildung der Ladungsträger und damit die Eigenleitung zu. Der Sperrstrom der Kollektor-Basisstrecke fließt als Basis-Emitterstrom ab und entspricht dabei einem positiven Basis-Steuerstrom. Dieser kann nun einen um den Basisstrom Verstärkungsfaktor B verstärkten Kollektorstrom erzeugen und so der Anfang eines sich selbst erhaltenden Prozesses sein.
Der Kollektorreststrom ICER kann verringert werden, wenn zwischen Basis und Emitter ein Widerstand geschaltet ist. Der geringste Leckstrom ICEV fließt bei zusätzlich gesperrter Basis-Emitter-Diode durch ein entsprechend gepoltes Basispotenzial von 1 bis 3 Volt. Dieser Wert gleicht den Datenblattangaben für ICB0 bei offenem Emitter.
Die Transitfrequenz
Die vom Emitter in die Basiszone injizierten Ladungsträger benötigen eine gewisse Laufzeit, bis sie als Kollektorstrom abfließen. Je höher die zu verstärkende Signalfrequenz wird, desto mehr nähert sich der Wert der Periodendauer dieser Diffusionszeit. Bei konstanter Amplitude des Steuersignals fließen mit zunehmender Frequenz immer weniger Ladungsträger in den Ausgangskreis. Der Stromverstärkungsfaktor ist von der Frequenz abhängig. Die Frequenz, wo der Verstärkungsfaktor β = 1 wird, heißt Transitfrequenz fT. Der Wert ist im Datenblatt angegeben und kann je nach Transistortyp Werte von 10 MHz bis über 5 GHz getragen.
Verglichen mit Operationsverstärkern haben Transistoren generell viel höhere Transitfrequenzen. Aus dem Amplituden-Frequenzgang, Bodediagramm genannt, kann für eine dimensionierte Verstärkerschaltung die Transitfrequenz abgelesen werden. Bei großer Betriebsverstärkung nimmt die Verstärkung für ein nicht verzerrtes Signal mit zunehmender Frequenz schon weit vor dem Erreichen der Transitfrequenz ab. Ist die Verstärkung im hohen Frequenzbereich auf −3 dB, dem 0,707fachen ihres Ursprungswerts abgefallen, so ist die Grenzfrequenz fg erreicht.
Aus dem Übertragungsdiagramm kann bei der Verstärkung 1 oder 0 dB die Transitfrequenz abgelesen werden. Das Bodediagramm zeigt bei logarithmischer Achsenteilung nach der Grenzfrequenz ein lineares Absinken der Verstärkung. Für Grenzfrequenzen, die gegenüber der Transitfrequenz ausreichend klein sind, ist das Verhältnis von Transitfrequenz zur Grenzfrequenz gleich dem Stromverstärkungsfaktor.