Bipolartransistor: Funktion und Grundschaltungen

Ein bipolarer Transistor besteht aus drei dotierten Halbleiterschichten, die abwechselnd aufeinanderfolgen. Je nach Schichtfolge spricht man von einem NPN-Transistor (n-p-n) oder einem PNP-Transistor (p-n-p).

Die mittlere Schicht ist sehr dünn und schwach dotiert — sie ist die Basis (B). Die beiden äußeren Schichten heißen Emitter (E) und Kollektor (C). Der Emitter ist deutlich stärker dotiert als der Kollektor — er liefert die Ladungsträger, die im Transistor „verarbeitet“ werden.

Im Schaltsymbol nach IEC 60617 erkennt man die Bauart am Pfeil am Emitter:

• NPN: Der Pfeil zeigt vom Transistor weg.
• PNP: Der Pfeil zeigt zum Transistor hin.

Eselsbrücke: NPN — Not Pointing iN. PNP — Pointing iN.

Die Pfeilrichtung am Emitter entspricht immer der technischen Stromrichtung im aktiven Betrieb.

In der Praxis dominieren Silizium-Transistoren. Häufige Bauformen sind TO-92 (kleine Signale, drei Drähte aus einem Halbgehäuse), TO-220 (mittlere Leistungen, Metalllasche zur Kühlung) und SMD-Gehäuse wie SOT-23 für die industrielle Bestückung.

Im aktiven Betriebszustand wird die Basis-Emitter-Strecke in Durchlassrichtung gepolt. Diese Strecke verhält sich wie eine normale Diode. Die Basis-Kollektor-Strecke dagegen wird in Sperrrichtung betrieben. Auf den ersten Blick klingt das paradox: Wie soll Strom durch eine gesperrte Diode fließen?

Die Antwort liegt in der dünnen Basisschicht. Beim NPN-Transistor stammen die Ladungsträger aus dem stark dotierten n-Emitter — freie Elektronen. Die positive Basisspannung zieht diese Elektronen in die Basis hinein. Weil die Basis aber sehr dünn ist, rekombiniert nur ein kleiner Teil der Elektronen mit den Löchern der Basis. Dieser kleine Anteil ist der Basisstrom.

Der weitaus größere Teil der Elektronen schießt durch die dünne Basis hindurch in die Sperrzone der Basis-Kollektor-Strecke und wird dort vom elektrischen Feld zum Kollektor gezogen. Das ergibt den Kollektorstrom.

Daraus folgt die zentrale Knotenbeziehung am Transistor:

Weil der Basisstrom sehr klein ist — typisch im Mikroampere-Bereich, während der Kollektorstrom im Milliampere-Bereich liegt — gilt in vielen praktischen Rechnungen die Näherung I_E ≈ I_C.

Beim PNP-Transistor sind alle Spannungs- und Stromrichtungen umgekehrt. Die Ladungsträger sind Löcher statt Elektronen. Die Funktion is sonst identisch.

Je nach Beschaltung arbeitet der Transistor in einem von drei Bereichen:

• Sperrbereich: Beide pn-Übergänge sind gesperrt. Es fließt nur ein vernachlässigbarer Reststrom. Der Transistor ist „aus“.
• Aktiver Bereich: BE-Strecke leitet, BC-Strecke sperrt. Der Kollektorstrom hängt fast linear vom Basisstrom ab. Das ist der Arbeitsbereich für Verstärker.
• Sättigungsbereich: Beide Übergänge leiten. Die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE ist sehr klein (typisch 0,1 – 0,3 V). Der Transistor ist voll durchgeschaltet — der typische Zustand im Schaltbetrieb.

Beschrieben werden diese Bereiche durch zwei Kennlinien.

Die Eingangskennlinie zeigt den Basisstrom I_B abhängig von der Basis-Emitter-Spannung U_BE. Sie verläuft wie eine ganz normale Diodenkennlinie: Erst ab etwa 0,6 – 0,7 V (bei Silizium) beginnt nennenswert Strom zu fließen, danach steigt I_B exponentiell. Für überschlägige Rechnungen wird in der Praxis mit U_BE ≈ 0,7 V gerechnet.

Das Ausgangskennlinienfeld zeigt den Kollektorstrom I_C abhängig von U_CE, jeweils für einen festen Basisstrom als Parameter. Für jeden Basisstrom-Wert ergibt sich eine eigene Kurve. Im aktiven Bereich verlaufen diese Kurven fast horizontal — der Kollektorstrom ist also nahezu unabhängig von U_CE. Links im Diagramm (kleines U_CE) krümmen sich alle Kurven steil nach unten in die Sättigung.

Im Kennlinienfeld lassen sich die drei Betriebsbereiche direkt ablesen: Ganz links liegt der Sättigungsbereich (steiler Anstieg bei kleinem U_CE), rechts davon der aktive Bereich (nahezu horizontale Kennlinien), und ganz unten die x-Achse — dort, wo I_C praktisch null ist, herrscht der Sperrbereich.

Der entscheidende Kennwert eines Transistors ist die Gleichstrom-Stromverstärkung B — international auch als h_FE oder β bezeichnet. Sie gibt an, um wieviel größer der Kollektorstrom gegenüber dem Basisstrom ist:

Umgestellt nach dem Kollektorstrom:

Typische Werte für B liegen zwischen 50 und 800, abhängig vom Transistortyp. Achtung: Die Stromverstärkung streut zwischen einzelnen Exemplaren desselben Typs zum Teil erheblich — Faktor 2 bis 3 ist normal. Im Datenblatt findet man deshalb meist drei Werte: Minimum, typisch, Maximum. Eine zuverlässige Schaltung muss auch mit dem kleinsten zu erwartenden B noch funktionieren.

Außerdem hängt B von Temperatur und Arbeitspunkt ab. Mit steigender Temperatur und steigendem Kollektorstrom wächst B leicht — bei sehr großen Strömen geht es wieder zurück.

Welcher der drei Anschlüsse — Emitter, Basis oder Kollektor — gemeinsam mit Eingang und Ausgang verschaltet ist, bestimmt die Grundschaltung. Daraus ergeben sich drei Varianten mit jeweils ganz unterschiedlichen Eigenschaften.

Emitterschaltung (E-Schaltung)

• Eingang: Basis | Ausgang: Kollektor | gemeinsam: Emitter
• Stromverstärkung und Spannungsverstärkung, beide deutlich größer 1
• Phasendrehung 180° zwischen Eingangs- und Ausgangssignal
• Standardschaltung zur Verstärkung kleiner Signale, z. B. NF-Vorstufe

Kollektorschaltung (Emitterfolger)

• Eingang: Basis | Ausgang: Emitter | gemeinsam: Kollektor
• Spannungsverstärkung V_u ≈ 1, dafür hohe Stromverstärkung
• Sehr hohe Eingangsimpedanz, sehr niedrige Ausgangsimpedanz
• Wird als Impedanzwandler oder Treiberstufe eingesetzt, etwa zwischen hochohmiger Signalquelle und niederohmiger Last

Basisschaltung

• Eingang: Emitter | Ausgang: Kollektor | gemeinsam: Basis
• Hohe Spannungsverstärkung, aber Stromverstärkung etwa 1
• Niedrige Eingangsimpedanz, hohe Ausgangsimpedanz
• Sehr gute Hochfrequenzeigenschaften — typische Wahl in HF-Verstärkern

Im Überblick:

Damit der Transistor als Verstärker arbeiten kann, muss er stabil im aktiven Bereich gehalten werden — bei einem festgelegten Ruhezustand ohne Eingangssignal. Diesen Ruhepunkt nennt man Arbeitspunkt (AP). Er ist durch das Wertepaar (U_CE, I_C) festgelegt und liegt im Ausgangskennlinienfeld auf der Arbeitsgeraden — der Widerstandsgeraden des Kollektorkreises.

Damit der Transistor in Ruhe den passenden Basisstrom bekommt, braucht es eine Basisvorspannung. Die einfachste Lösung wäre ein einzelner Vorwiderstand von der Versorgung zur Basis — sie ist aber instabil gegenüber Temperatur und Bauteilstreuung. In der Praxis wird die Emitterschaltung deshalb mit einem Basisspannungsteiler (R1, R2) und einem Emitterwiderstand R_E ausgeführt.

Der Emitterwiderstand wirkt als Gegenkopplung: Steigt I_C zum Beispiel durch Erwärmung, so steigt der Spannungsabfall an R_E mit. Damit sinkt die effektive U_BE — und der Anstieg von I_C wird automatisch begrenzt. Der Arbeitspunkt bleibt weitgehend stabil, auch wenn B streut oder die Temperatur ansteigt.

Die Basisspannung am Verbindungspunkt der beiden Teilerwiderstände beträgt (vereinfacht, ohne Belastung durch den Basisstrom):

Über den Emitterwiderstand fällt die Differenz aus U_B und U_BE ab. Daraus ergibt sich näherungsweise direkt der Kollektorstrom:

Beim Einsatz als elektronischer Schalter werden gezielt zwei der drei Betriebsbereiche genutzt: Sperrbereich als „offen“ und Sättigungsbereich als „geschlossen“. Im Sättigungsbereich ist U_CE minimal — typisch 0,1 bis 0,3 V — und die Verlustleistung im Transistor entsprechend gering.

Damit der Transistor wirklich sicher in die Sättigung gefahren wird, reicht der theoretisch nötige Basisstrom (I_C/B) nicht aus. Bauteilstreuung und Temperaturabhängigkeit von B könnten zu unsicheren Schaltzuständen führen — der Transistor bliebe im aktiven Bereich und würde unnötig viel Verlustleistung in Wärme umsetzen. In der Praxis wird der Basisstrom deshalb deutlich höher gewählt als rechnerisch notwendig. Das Verhältnis von tatsächlichem zu mindestens notwendigem Basisstrom heißt Übersteuerungsfaktor, Formelzeichen Ü:

Übliche Werte sind Ü = 2 bis 5, häufig wird mit Ü = 3 gerechnet. Höhere Werte erhöhen die Schaltsicherheit und verkürzen die Schaltzeit, kosten aber etwas mehr Steuerstrom.

Aus dem Basisstrom und der Steuerspannung am Eingang folgt der Basisvorwiderstand R_B: